WO2010034428A2 - Method for reducing deposits during the cultivation of organisms - Google Patents

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WO2010034428A2
WO2010034428A2 PCT/EP2009/006722 EP2009006722W WO2010034428A2 WO 2010034428 A2 WO2010034428 A2 WO 2010034428A2 EP 2009006722 W EP2009006722 W EP 2009006722W WO 2010034428 A2 WO2010034428 A2 WO 2010034428A2
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Björn FRAHM
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    • C12M39/00Means for cleaning the apparatus or avoiding unwanted deposits of microorganisms

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing deposits in the cultivation of cells or organisms, in particular of cell cultures, which tend to agglomerate or adhere to the bioreactor and its elements, or in which cells, Zelldebris or substances easily agglomerate or adhere.
  • Fermentation also accumulates by-products, e.g. the lysis products died
  • bioreactors are used. With continuous bioreactors, higher cell densities and associated higher productivity can be achieved compared to batch culture.
  • Some cell lines have the property of preferentially forming agglomerates and / or of adhering to the inner regions of a culture vessel / bioreactor or causing / promoting an attachment of cell debris or substances (eg proteins) to the inner regions of the culture vessel (see, for example, EP0242984B1). , This is generally disadvantageous because the functionality of elements in the bioreactor, such as membranes for gas transfer or probes, sometimes considerably limited or even repealed.
  • a double-walled fermenter is provided in EP0242984B1 with a spiral stirrer whose stirring blades are designed to just before an inner (semipermeable) wall of the fermenter.
  • the movement of the stirring blades in the vicinity of the inner wall causes turbulence, which should prevent the deposition of cells / cell residues / cell products on the inner wall and thus fouling.
  • a disadvantage of the fermenter described is that cell cultures can be damaged by the turbulence.
  • agitators, in particular the stirring blades described in EP0242984B1 exert high shear forces which can damage cell membranes, in particular of cell-wall-less cells.
  • EP1935973A1 describes a culture device for aquatic organisms, which manages without stirrer.
  • Gas oxygen to supply the organisms
  • a single nozzle is arranged centrally in the outlet and a separating disk is introduced in the vessel so that a clearly directed flow consists of upward and downward movement of the nutrient liquid around the separating disk as a result of the inflow of gases results.
  • a clearly directed flow consists of upward and downward movement of the nutrient liquid around the separating disk as a result of the inflow of gases results.
  • the bubble-free fumigation solves the problem by the gas exchange takes place over a submerged membrane surface.
  • the fumigation is carried out with closed or open-pore membranes. These are e.g. arranged in the liquid moved by a stirrer.
  • membranes can be wound up as tubes on cylindrical basket stators (H. -J. Henzler, J. Kauling: "Oxygenation of cell cultures” Bioprocess Engineering 9 (1993) pp.
  • Silicone is the preferred tubing for porous polymers because of its high gas permeability, high thermal stability and the hose properties distributed homogeneously over the length of the tubing segments of up to approx
  • dead spaces between the hoses and between the stator and the hoses, in which deposits can easily form are problematic.
  • the progressive deposition of substances on the silicone hoses themselves leads to an increasingly poorer gas transfer, eg for the supply of cell n with oxygen or when removing carbon dioxide. In general, the silicone tube is discarded after a single use.
  • a disadvantage of the described membrane gassing is, in addition, the comparatively low mass transport coefficient (H.-J. Henzler, J. Kauling: "Oxygenation of cell cultures” Bioprocess Engineering 9 (1993) pp. 61-75) .
  • H.-J. Henzler, J. Kauling: "Oxygenation of cell cultures” Bioprocess Engineering 9 (1993) pp. 61-75) To achieve high mass transfer rates, it is necessary . install a corresponding amount of membrane area in the bioreactor.
  • this is complicated in terms of construction and handling (assembly, sterilization, cleaning, generation of insufficiently mixed areas, etc.) and leads to the increase of dead spaces.
  • WO2007098850 (A1) describes a method and a device for the gassing of liquids, in particular of liquids used in biotechnology and especially of cell cultures, in which the gas exchange takes place via one or more submersed membrane surfaces (eg hoses) , wherein the membrane surface performs any rotationally oscillating motion in the liquid.
  • the movement can be optimized so that the flow of the membrane surface is optimal. Since the mass transport coefficient depends on the flow of the membrane surface, an improved oxygen supply can be achieved.
  • Another advantage of the rotationally oscillating movement of the membrane surface is the fact that a separate stirring or mixing element for generating an inflow of the membrane surface is eliminated.
  • WO86 / 07604A1 describes an air lift fermenter. It is proposed to use flocculants in the cultivation of animal cells to separate cell debris from the product stream. The flocculated heavy particles sink into a turbulence-free zone of the Air-Lift fermenter and can be removed here.
  • the use of flocculants can reduce deposits but not permanently prevent them.
  • the use of flocculants in the use of rotationally oscillating membrane surfaces for the supply of oxygen entails the risk that flocculated particles are captured and transported to dead zones, where they can settle permanently.
  • the use of flocculants is not in the Cultivation of all cell lines attached, since flocculants can exert negative influence on the physiology of the cells and excess flocculant may need to be removed from the product.
  • the object is to provide a method for reducing deposits in the cultivation of cells or organisms, in particular in the cultivation of cell cultures that are prone to agglomeration or adhesion to the bioreactor and its elements, or in which Cells, cell debris or substances easily agglomerate or adhere.
  • the process sought should provide optimal nutrition to organisms with nutrients, in particular with respect to gas transfer, e.g. with oxygen, ensure. It should do without the use of additional shear forces, which leads to the destruction of cells and thus to the reduction of productivity.
  • the process sought should be able to do without the use of chemicals (e.g., flocculants) to avoid additional burden on the organisms and more effort in product isolation.
  • the process sought should, in particular, reduce deposits which could reduce gas transfer, e.g. the oxygen supply, lead.
  • the process sought should be simple to perform and inexpensive.
  • the present invention is therefore a method for reducing deposits in the cultivation of cells and organisms, in particular cell cultures, which tend to agglomerate or adhere to the bioreactor and its elements, or in which cells, cell debris or substances easily agglomerate or Adhere, characterized in that a gas exchange into the culture medium immersed membrane surface carries out a discontinuous movement.
  • “Movement” is generally understood to mean a process in which a moving body (here the membrane surface) undergoes a change in its arrangement in space, whereby the body can move as a whole (translation) or only parts of the body, eg by bending the body Body (vibration)
  • the movement of the body can also consist of a rotation (rotation) and combinations of translation, vibration and rotation are possible.
  • a “discontinuous motion” is understood to mean a movement that does not proceed uniformly over a given period of time.
  • a discontinuous motion is the movement of a pendulum.
  • the pendulum performs over the period of one period, eg, starting with a maximum deflection of the pendulum to the right first accelerate to the left until it reaches a maximum speed in the rest position, then slowly decelerate the pendulum until the pendulum comes to a halt for a moment in the maximum excursion to the left before the pendulum accelerates again, in the rest position the pendulum maximum speed is reached and decelerated again until it has returned to its initial position (maximum deflection to the right), in contrast, a continuous movement is understood to mean a movement that is uniform over a given period of time the rotation of a stirrer at a constant angular velocity about a fixed axis of rotation.
  • the membrane surface performs a discontinuous motion with a reversal of motion, i. the membrane surface first carries out any kind of first movement in a first direction before the membrane surface comes to a standstill and then carries out any kind of second movement in another direction, preferably in the direction opposite to the first direction.
  • the first movement and the second movement can be completely different from each other.
  • the second movement is preferably a mirror, point and / or rotationally symmetrical design for the first movement.
  • the membrane surface performs an oscillating movement.
  • oscillating is understood to mean a regularly and uniformly repeating process, ie the method according to the invention is preferably characterized in that there is a period of time, hereinafter referred to as the period in which the membrane surface makes any first movement, and subsequent movements copies the first movement are characterized by the same temporal sequence of accelerations and speed as the first movement.
  • the movement of a pendulum described above is an example of an oscillating motion.
  • the membrane surface carries out a rotationally oscillating movement.
  • a rotationally oscillating movement the membrane surface first moves (rotates) in one direction of rotation, wherein the movement can be configured as desired.
  • An example is the acceleration of the membrane surface with a certain angular acceleration up to a certain angular velocity with which the membrane surface then moves for a certain time.
  • the membrane surface is decelerated to a standstill with a fixed delay. It then follows, if necessary after a defined downtime, then the movement in the other direction of rotation. This movement can be mirror-image of the previously described or otherwise designed.
  • a rotationally oscillating motion movement in which the membrane surface is first accelerated in one direction, a time t, which is greater than or equal to zero, rotated at a constant speed in this predetermined direction, then braked (the diaphragm surface but can also continue to rotate with a small angular velocity in the same direction), and then accelerated again in the same direction.
  • the movement is carried out so that the membrane surface first rotates in one and after a predetermined time in the opposite direction.
  • the movement of the membrane surface is rotationally oscillating with reversal of direction of rotation and with minimal downtime at the points of reversal of rotation.
  • a minimal downtime is understood to mean that the reversal of the direction of rotation takes place without a technical / avoidable delay, ie, the diaphragm surface experiences an acceleration in the direction opposite to the previous direction immediately after reaching a point of reversal of the direction of rotation.
  • the preferred embodiment is further characterized in that the membrane surface is accelerated from a point of reversal of direction over a definable period of time with constant angular acceleration and then, upon reaching a maximum velocity, the membrane surface is decelerated again with a constant angular delay until the membrane surface is the second point of reversal of direction reached (movement phase 1). Then, a movement phase 2 is mirrored to the movement phase 1.
  • the constant angular acceleration and angular delay are equal in magnitude.
  • the preferred Embodiment of the inventive method is characterized in that no movement phase occurs at a constant angular velocity.
  • the membrane surface is flowed tangentially as a result of the discontinuous movement within the culture medium.
  • the tangential flow ensures effective gas exchange between membrane surface and culture medium (oxygen supply, carbon dioxide removal).
  • Membrane surface is understood to mean a surface through which a gas, in particular oxygen, in dissolved form or in the form of fine bubbles can be introduced into a liquid and / or a gas can be removed from the liquid Gas bubbles understood that have a low tendency to coalescence in the culture medium used.
  • Suitable membrane surfaces are, for example, special sintered bodies of metallic and ceramic materials, filter plates or laser-perforated plates which have pores or holes with a diameter of generally smaller than 15 microns.
  • the membrane surfaces are preferably designed as hollow bodies, eg tubes, through which gas can flow. At low gas blanket velocities of less than 0.5 mh -1 , very fine gas bubbles are produced, which have a low tendency to coalesce in the media normally used in cell culture.
  • Membrane surfaces are also suitable membrane hoses.
  • Membrane hoses are understood to be flexible tubular structures which are permeable to gases such as oxygen and carbon dioxide.
  • membrane hollow filaments of microporous polypropylene may be mentioned, as exemplified in Chem. Ing. Tech. 62 (1990), No. 5, pp. 393-395 by H. Büntemeyer et al. to be discribed.
  • silicone tubes can be used, as described by way of example in the following documents: H.-J. Henzler, J. Kauling: "Oxygenation of cell cultures” Bioprocess Engineering 9 (1993) pp 61-75, EP 1948780, WO07 / 051551A1,
  • Non-porous silicone tubes are preferably used as membrane surfaces. Preferably, these are in a range of inner diameter ⁇ 1 mm with an outer diameter of ⁇ 1.4 mm to an inner diameter of ⁇ 2 mm with an outer diameter of ⁇ 3 mm.
  • the parameters hose diameter and hose total length should be selected so that a sufficient mass transport for the application is guaranteed.
  • the mass transfer is among others the ratio of membrane surface to reactor liquid volume determined (volume-specific mass transfer area). Here, " 'in use for animal cell cultures.
  • the volume-specific mass transfer surface area values between 0.1 m reached 1 and 150 1 m" are preferably 1 m is 1 to 45 m "' values of 25 m from 1 to 100 m ' 1 and more preferably 5 m "1 to 75 m '1 .
  • the membrane surface is attached to a rotatably mounted rotor mounted inside a container, e.g. a bioreactor, can be moved.
  • the rotor is designed so that it can carry at least one membrane surface such as hoses, cylinders, modules, etc. inside the bioreactor.
  • the rotor is preferably used for carrying out a rotationally oscillating movement.
  • the rotatably mounted rotor may e.g. be offset from outside the bioreactor by a drive in a rotational oscillating movement.
  • the transmission of the required drive torque from the drive to the rotor inside the reactor can be done either via a magnetic coupling, or the rotor shaft is passed through a rotating seal through the housing of the bioreactor and coupled directly to the drive.
  • a magnetic coupling is particularly advantageous from a sterile technical point of view because it clearly separates sterile and non-sterile spaces from one another without rotating seal.
  • the volume-specific power input is usually between 0.01 and 100 W per m 3 .
  • the parameter design should be such that maximum relative velocities between rotor and culture medium of 1 ms.sup.- 1 result for the cell culture application.
  • the transmission In order to absorb the stresses from the transmission and rotor connection, the transmission is usually connected to the rotor via any torsionally rigid coupling which absorbs small shaft misalignment or low shaft misalignment.
  • the device for attaching one or more membrane surfaces can advantageously be easily adapted in its design to the particular conditions in cell cultures, e.g. Cell agglomeration, to be adjusted. This can be done for example by the nature and arrangement of the membrane surfaces.
  • the rotor preferably has 1 to 64, preferably 2 to 32 and particularly preferably 4 to 16 rotor arms, to which one or more membrane surfaces can be attached.
  • two winding arms form a rotor arm.
  • the membrane surface preferably the membrane tubes, horizontally or vertically wound at regular or irregular intervals.
  • the flow of the membrane hoses generally improves with increasing radial distance from the rotor shaft, depending on the position of the membrane hose.
  • the reason for this is the equally increasing peripheral speed.
  • One way to meet this requirement is to increase the number of rotor arms around the shaft. Negatively, however, an increase in the number of arms affects both the mixing and the flow to the membrane (creation of less mixed compartments between the arms).
  • the handling of the rotor suffers during the winding and unwinding of the hoses and during installation and removal. The attachment of the arms to the shaft designed with larger numbers of arms for reasons of space increasingly difficult.
  • the supply of the discontinuously moved membrane surface for the supply and removal of gas preferably takes place from the non-agitated environment, e.g. the reactor lid, with a rotary seal or with the help of flexible hoses.
  • Rotary seals are usually undesirable in cell culture technology because they can cause difficulties in cleaning and sterilization.
  • the method according to the invention with reversal of movement offers a clear advantage over a method without reversal of the direction of movement: Without reversing the direction of movement, the tubes would twist more and more with increasing rotation and finally tear off.
  • a motion reversal movement e.g. in the case of rotationally oscillating membrane surfaces, there is no net torsion of the flexible tubes due to the reciprocation.
  • the prerequisite is of course the design of the reciprocating motion such that the membrane surface is at the start of the movement after completion of a period of movement.
  • the tension of the membrane surface such as the membrane tubes can be varied.
  • the optimum stress results, inter alia, from the parameters pressure of the gas or gas mixture flowing into the space inside the membrane surface, pressure of the gas or gas mixture flowing out of the space inside the membrane surface, and geometry, flow resistance and deformation of the space within the membrane surface (eg Inlet pressure, outlet pressure, inside diameter, number and geometry of the membrane tube curvatures, as well as the deformation of the curves) (HN Qi, CT Goudar, JD Michaels, H.-J.
  • the voltage should be selected such that the membrane hoses are fastened on a long-term stable basis, but on the other hand can preferably move in the flow and deflect, for example, a few millimeters.
  • the reduction of the hose tension results in the problem of fixing the membrane hoses on the winding arms.
  • a large force on the membrane hoses could lead to slipping of the membrane hoses from the winding arms with less hose tension.
  • To address this problem e.g. provide the surface of the winding arms with an external thread.
  • e.g. Webs are provided outside of the winding arms, which prevent slipping of the hoses outside of the arms. It is important to ensure that the wound membrane hoses are not damaged by any burrs of the thread.
  • the external thread on the winding arms of a star holder offers the possibility to vary the hose winding. When rewinding the tubes, e.g. Only every second or third thread recess can be used. As a result, the setting of a defined distance between the individual diaphragm hoses is possible.
  • membrane surfaces in the form of hoses which are attached to the arms of a rotor and configured to carry out a discontinuous movement, can be found in the application WO2007098850 (A1).
  • the membrane surface which carries out a discontinuous movement can be completely or partially immersed in the culture medium. It is also conceivable to vary the immersion depth during the discontinuous movement.
  • the inventive method can be used in many ways, e.g. in the cultivation of organisms, human, animal or plant cells, in the processing of
  • Waste water or any other process in which deposits may form.
  • Cell cultures are eg BHK cells (Baby Hamster Kidney) for the production of Coagulation factors or CHO cells (Chinese Hamster Ovary) for obtaining therapeutic antibodies.
  • the membrane surface provides for the necessary gas exchange and thus for the necessary supply of the organisms with e.g. Oxygen, as well as the necessary removal of gaseous metabolites (especially carbon dioxide) of the organisms.
  • the oscillating movement improves the mass transfer significantly compared to a statically arranged membrane surface, which is impinged by an additional agitator. An additional agitator is not necessary.
  • the oscillatory motion has, surprisingly, a reducing effect on the formation of deposits and agglomerates, both on deposits and agglomerates settling on the membrane surface, and on deposits and agglomerates settling on other elements / surfaces within the bioreactor.
  • probes pH probe, thermometer, electrode for determining the oxygen content and similar probes
  • One or more probes are preferably connected to the membrane surface, possibly via a common holder, so that the membrane surface and probe (s) are caused to make a joint / coupled movement. In this way, deposits on the probes are more effectively avoided.
  • Example 1 Device for carrying out the method according to the invention
  • FIG. 1 schematically shows an example of a device for carrying out the method according to the invention.
  • the membrane surface is formed by membrane tubes (1) which are arranged on a rotor shaft (2) vertically transversely to the direction of rotation (3). Through the membrane hoses oxygen-containing gas can be pumped to supply organisms.
  • the device is preferably operated within a bioreactor (4).
  • the membrane surface is fully immersed in the culture medium, i. the liquid surface (5) is in operation above the membrane surface.
  • the device can perform a rotary movement about the rotor shaft (2). Preferably, it performs a rotationally oscillating motion. This movement leads to an improved supply of the organisms in the bioreactor and to a significantly reduced tendency to form deposits and agglomerates (compared to a static membrane surface, which is impinged by a stirrer).
  • FIG. 2 shows the photograph of a device for receiving membrane tubes.
  • the device comprises at the top two concentric distribution rings for the supply and removal of gas. Most of the external gas supply is used so that the oxygen-rich gas first enters the tube sections, which are farthest from the rotor shaft and are best flowed to it.
  • the distributor rings each have 16 connecting pieces, which allow the supply of the membrane hose segments on the up to 16 rotor arms.
  • the photo shows the rotor with only 8 mounted rotor arms, whereby the 8 remaining possible rotor arms would each be mounted between the present ones.
  • a membrane hose segment of 57 m in length is wound up in this example. Now, if a rotation of the rotor, the membrane tubes are moved by the fluid in the reactor and thereby flowed tangentially.
  • the apparatus shown in FIG. 2 for carrying out the method according to the invention is used for gassing a cell culture bioreactor with a liquid volume of up to about 200 l, the internal reactor diameter being 510 mm and the height to diameter ratio being 2: 1.
  • the centric rotor shaft has a diameter of 20 mm and the rotor an outer diameter of 409 mm.
  • the rotor arms have in the recess in which the Membrane tube is guided, a radius of 7.7 mm.
  • parallel recesses are produced with a distance of 3.65 mm.
  • a rotor drive for example, a stepper motor with a maximum speed of 2500 min '1 , a standstill torque of 5.8 Nm and a gear ratio of 1: 12 can be used.
  • Example 2 Use of the method according to the invention for cultivating a sticky human hybrid cell line HKB-11
  • the process according to the invention has been described by way of example in the cultivation of the human cell line HKB-I 1 for the production of blood coagulation factor VHI (Mei, Baisong et al., "Expression of Human Coagulation Factor VJII in a Human Hybrid Cell Line", HKBI 1, Molecular Biotechnology. 34 (2): 165-178, October 2006).
  • This cell line has a very high tendency to aggregate formation.
  • the same cell line was cultured in a reference method (not according to the invention) in order to be able to compare the methods.
  • the process according to the invention was carried out in a 15 L bioreactor from Applikon.
  • the bioreactor was equipped with a rotor having a membrane surface in the form of silicone tubing (SILASTIC RX 50 Medical Grade Tubing Special, 0.078 in. (1.98 mm) ID x 0.125 in. (3.18 mm) OD (500 ft roll, Dow Corning). ) was attached.
  • the membrane hoses were mounted on the 8 arms of the rotor, which were mounted in a star shape around a rotor shaft.
  • the total length of membrane tubing was 58.7 m (48.8 m 2 membrane surface area per m 3 reactor volume at 12 L filling volume), with the two innermost rows of rotor arms not wound.
  • the complete winding would have corresponded to a total length of membrane tube of 65 m (54.1 m 2 membrane surface area per m 3 reactor volume at 12 L filling volume).
  • the rotor could be put into a discontinuous motion by a servomotor (Model No. 23S21, Jenaer Antriebstechnik, Jena, Germany) with a standstill torque of 0.9 Nm, to which a planetary gear with a reduction of 1:12 was flanged.
  • Information on the human HKB cell line used can be found in the following literature: Mei, Baisong et al., "Expression of Human Coagulation Factor VIII in a Human Hybrid Cell Line", HKBI, Molecular Biotechnology. 34 (2): 165-178, October 2006.
  • the cells were supplied with oxygen and freed of carbon dioxide.
  • the gas flow rate was 1 standard liter per hour.
  • the gas flow through the membrane hoses of the 8 rotor arms is brought together again at the end of the membrane hoses and led through a flexible hose to the bioreactor lid. There, the backpressure at the gas outlet is varied between 5 and 15 psig. This offers the possibility to specifically influence the gas transfer properties.
  • an air stream of 1 standard liter per hour was continuously passed through the supply air and exhaust air connection during the cultivation. Information on the structure of the plant for continuous cell culture operation can be found in WO2003 / 020919A1.
  • the membrane surface within the culture medium has been set in a rotationally oscillating motion.
  • the sequence of movement was as follows: starting from one of the points of reversal of the direction of rotation, the membrane surface became a constant Angular acceleration of 11 rads "2 accelerated for a duration of 400 ms and then delayed for the same period with one of the same angular acceleration, so that it again came to a standstill after 800 ms
  • the swept angle is 90 ° to about 56 W m "3 .
  • the maximum speed of the rotor ends is approx. 0.44 ms "1 .
  • the erf ⁇ ndungshiele method is hereinafter referred to as DMA method (Dynamic Membrane Aeration) and the corresponding device for carrying out the erf ⁇ ndungshielen method as a DMA reactor.
  • DMA method Dynamic Membrane Aeration
  • the reference method was also carried out in a structurally identical 15 L bioreactor (reference reactor) from Applikon. This was with a static membrane surface and a
  • the static membrane area comprised 49.6 m hose length
  • Silicone hose (for DMA and reference system the same silicone hose make was used).
  • the flow rate through the membrane tubes was 0.5 standard liters per hour.
  • the internally designed anchor stirrer was used for the flow of the membrane surface to the
  • the anchor stirrer was operated at a constant speed of 150 rpm (corresponding to approx. 165 W m ⁇ 3 ). This high stirrer speed or high power input, which otherwise for reasons of
  • cell inoculum For inoculating the reference system cell inoculum was used, which was bred in advance in shake flasks in an adequate amount. Inoculation of the 15 L DMA reactor was carried out with cells from the 15 L reference system, whereby the comparability of both systems with respect to common cell source and up to the small time difference is also given in terms of equal cell age. Examples of the animf cell densities are shown in FIGS. 3 and 4.
  • Figure 3 shows the temporal evolution of the density of living cells (a) in the DMA method and (b) in the reference method in a first cell culture.
  • the density cd of living cells in the unit [10 6 cells mL "1 ] versus time / unit [days] is plotted in each case
  • the cell density was determined using a CEDEX system (Innovatis GmbH, Bielefeld, Germany)
  • a pipetting was carried out beforehand, whereby the cell agglomerates are largely dissolved by the shearing forces in the pipette
  • the bioreactor of the DMA method was washed only with medium (medium formulation subject to secrecy). Deposits on the sensors and the membrane surface remained. Subsequently, a second cell cultivation was carried out with freshly grown cells. The procedure was used to simulate long-term cultivation.
  • Figure 4 shows the time evolution of the density of living cells (a) in the DMA method and (b) in the reference method in the second cell culture.
  • the density cd of living cells in the unit [10 6 cells mL '1 ] is plotted against the time t in the unit [days].
  • the DMA method thus showed a higher cell density and thus a higher production rate than the reference method.
  • the cause was demonstrably the reduced tendency to form deposits in the DMA process compared to the reference method.
  • Cultivation time on average higher than the reference method. - In the DMA process, less deposits were observed on both the membrane tubing and the stationary parts of the bioreactor and on the probes.
  • the DMA method showed no adverse effects on cell biology (apoptosis and cell cycle).
  • Fig. 1 Schematic representation of a rotationally oscillating movement for loading
  • Fig. 2 Photograph of a device for receiving a membrane surface: membrane hoses are wound on the star-shaped arms of a rotor.
  • Fig. 3 Graph showing the temporal evolution of the density of living cells

Abstract

The invention relates to a method for reducing deposits during the cultivation of organisms, particularly cell cultures, which tend to agglomerate or adhere to the bioreactor and the elements thereof, or in which cell debris or substances easily agglomerate or adhere.

Description

Verfahren zur Reduzierung von Ablagerungen bei der Kultivierung von Organismen Method for reducing deposits in the cultivation of organisms
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Ablagerungen bei der Kultivierung von Zellen oder Organismen, insbesondere von Zellkulturen, welche zur Agglomeration bzw. Anhaftung an den Bioreaktor und seine Elemente neigen, oder bei denen Zellen, Zelldebris oder Substanzen leicht agglomerieren bzw. anhaften.The invention relates to a method for reducing deposits in the cultivation of cells or organisms, in particular of cell cultures, which tend to agglomerate or adhere to the bioreactor and its elements, or in which cells, Zelldebris or substances easily agglomerate or adhere.
Die Züchtung menschlicher, tierischer und pflanzlicher Zellen hat große Bedeutung bei der Herstellung biologisch aktiver Substanzen und pharmazeutisch aktiver Erzeugnisse erlangt. Insbesondere die Züchtung von Zellen, welche häufig in einem Nährmedium in freier Suspension durchgeführt wird, ist anspruchsvoll, weil die Zellen im Gegensatz zu Mikroorganismen sehr empfindlich hinsichtlich mechanischer Scherbeanspruchung und unzureichender Versorgung mit Sauerstoff sowie Nährstoffen sind (siehe z.B. H.-J. Henzler 2000. Particle Stress in Bioreactors. Adv. Biochem. Eng./Biotechnol. 67:35-82 oder J. G. Aunis, H.-J. Henzler 1993. Aeration in Cell Culture Bioreactors. In: Biotechnology, Second, Completely Revised Edition, Volume 3: Bioprocessing: 219-281, VCH Wiley oder Untersuchungen zum extrazellulären und intrazellulären Sauerstofftransfer, von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Hannover zur Erlangung des Grades Dr. rer. nat. genehmigte Dissertation von Oliver Schweder, 2006). Im Gegensatz zu Nährstoffen, die in solcher Konzentration im Nährmedium vorliegen, dass sie nicht andauernd nachdosiert werden müssen, ist die Sauerstofflöslichkeit des Nährmediums so gering, dass ohne kontinuierliche Sauerstoffzufuhr die Zellen schnell in eine Sauerstofflimitierung gelangen würden. Neben der ausreichenden Versorgung mit Sauerstoff kommt dem Abtransport von Kohlendioxid eine ähnliche Bedeutung zu.The cultivation of human, animal and plant cells has gained great importance in the production of biologically active substances and pharmaceutically active products. In particular, the cultivation of cells, which is often carried out in a nutrient medium in free suspension, is demanding because the cells, in contrast to microorganisms are very sensitive to mechanical shear stress and insufficient supply of oxygen and nutrients (see, for example, H.-J. Henzler 2000 Particle Stress in Bioreactors Adv. Biochem. Eng./Biotechnol. 67: 35-82 or JG Aunis, H.-J. Henzler 1993. Aeration in Cell Culture Bioreactors. In: Biotechnology, Second, Completely Revised Edition, Volume 3 : Bioprocessing: 219-281, VCH Wiley or Studies on Extracellular and Intracellular Oxygen Transfer, by the Faculty of Natural Sciences of the University of Hanover to obtain the degree of Dr. rer. Nat., Licensed dissertation by Oliver Schweder, 2006). In contrast to nutrients that are present in such a concentration in the nutrient medium that they do not have to be continuously replenished, the oxygen solubility of the nutrient medium is so low that without continuous oxygen supply, the cells would rapidly reach an oxygen limitation. In addition to the sufficient supply of oxygen, the removal of carbon dioxide is of similar importance.
Meist werden menschliche, tierische und pflanzliche Zelllinien absatzweise gezüchtet. Dies hat den Nachteil, dass eine optimale Versorgung der Zellen infolge der sich ständig verändernden Substrat-, Produkt und Biomassekonzentrationen nur schwer zu erreichen ist. Am Ende derMostly human, animal and plant cell lines are cultivated intermittently. This has the disadvantage that an optimal supply of the cells as a result of constantly changing substrate, product and biomass concentrations is difficult to achieve. At the end of
Fermentation reichern sich außerdem Nebenprodukte an, z.B. die Lyseprodukte gestorbenerFermentation also accumulates by-products, e.g. the lysis products died
Zellen, die meist unter großem Aufwand bei der späteren Aufarbeitung eliminiert werden müssen.Cells, which usually have to be eliminated at great expense in the subsequent workup.
Aus den genannten Gründen, insbesondere aber bei der Herstellung instabiler Produkte, die z.B. durch proteolytische Angriffe beschädigt werden können, werden daher bevorzugt kontinuierlich betriebene Bioreaktoren angewendet. Mit kontinuierlichen Bioreaktoren lassen sich im Vergleich zur absatzweisen Kultivierung höhere Zelldichten und eine damit verbundene höhere Produktivität erreichen. Einige Zelllinien verfügen über die Eigenschaft, bevorzugt Agglomerate zu bilden und / oder sich an die Innenbereiche eines Kultivierungsgefäßes / Bioreaktors anzuheften bzw. eine Anlagerung von Zelldebris oder Substanzen (z.B. Proteinen) an die Innenbereiche des Kultivierungsgefäßes zu bewirken / zu fordern (siehe z.B. EP0242984B1). Dies ist im Allgemeinen von Nachteil, da die Funktionsfähigkeit von Elementen im Bioreaktor, wie z.B. Membranen zum Gastransfer oder Sonden, zum Teil erheblich eingeschränkt oder sogar aufgehoben wird.For the reasons mentioned, but especially in the production of unstable products which can be damaged for example by proteolytic attacks, therefore, preferably continuously operated bioreactors are used. With continuous bioreactors, higher cell densities and associated higher productivity can be achieved compared to batch culture. Some cell lines have the property of preferentially forming agglomerates and / or of adhering to the inner regions of a culture vessel / bioreactor or causing / promoting an attachment of cell debris or substances (eg proteins) to the inner regions of the culture vessel (see, for example, EP0242984B1). , This is generally disadvantageous because the functionality of elements in the bioreactor, such as membranes for gas transfer or probes, sometimes considerably limited or even repealed.
Die Anlagerung von Debris ist in herkömmlichen Systemen ein Hauptgrund für die notwendige Reduzierung der Zelldichte und das vorzeitige Beenden der Kultivierung entsprechender Zelllinien. Ferner führt in herkömmlichen Systemen die Anlagerung von Zellen, Debris und / oder Proteinen an Sonden oder sonstigen Mess- / Analytikeinrichtungen zu deren Fehlfunktion oder Nichtfunktion, was während des fortlaufenden Betriebs des Bioreaktors meist nicht behoben oder kompensiert werden kann, wodurch ein vorzeitiges Beenden der Kultivierung nötig werden kann.The accumulation of debris in conventional systems is a major cause of the necessary reduction in cell density and the premature termination of the cultivation of corresponding cell lines. Furthermore, in conventional systems, the attachment of cells, debris and / or proteins to probes or other measurement / analytical devices will result in their malfunctioning or nonfunctioning, which usually can not be resolved or compensated for during ongoing operation of the bioreactor, thereby prematurely terminating the culture may be necessary.
Probleme bei (Zellkultur-)Fermentationen hinsichtlich Ablagerungen im Bioreaktor und der Anhaftung von Zellen und Zelldebris, insbesondere an den Membranschläuchen sowie der Bildung von Zellagglomeraten, sind seit langem in der Literatur beschrieben.Problems in (cell culture) fermentations with regard to deposits in the bioreactor and the adhesion of cells and Zelldebris, especially on the membrane tubes and the formation of cell agglomerates, have long been described in the literature.
Zur Verringerung von Ablagerungen ist in EP0242984B1 ein doppelwandiger Fermenter mit einem Spiralrührer versehen, dessen Rührblätter bis kurz vor eine innere (semipermeable) Wand des Fermenters ausgeführt sind. Die Bewegung der Rührblätter in der Nähe der inneren Wand verursacht Turbulenzen, welche die Ablagerung von Zellen / Zellresten / Zellprodukten an der inneren Wand und damit Fouling verhindern sollen. Nachteilig an dem beschriebenen Fermenter ist, dass Zellkulturen durch die Turbulenzen beschädigt werden können. Zudem ist bekannt (siehe z.B. EP0422149B1), dass Rührwerke, insbesondere die in EP0242984B1 beschriebenen Rührblätter hohe Scherkräfte ausüben, die Zellmembranen, insbesondere von zellwandlosen Zellen schädigen können.To reduce deposits, a double-walled fermenter is provided in EP0242984B1 with a spiral stirrer whose stirring blades are designed to just before an inner (semipermeable) wall of the fermenter. The movement of the stirring blades in the vicinity of the inner wall causes turbulence, which should prevent the deposition of cells / cell residues / cell products on the inner wall and thus fouling. A disadvantage of the fermenter described is that cell cultures can be damaged by the turbulence. In addition, it is known (see, for example, EP0422149B1) that agitators, in particular the stirring blades described in EP0242984B1 exert high shear forces which can damage cell membranes, in particular of cell-wall-less cells.
EP1935973A1 beschreibt eine Kulturvorrichtung für aquatische Organismen, die ohne Rührwerk auskommt. Gas (Sauerstoff zur Versorgung der Organismen) wird in der Nähe des Auslasses am Boden des Gefäßes eingebracht und erzeugt eine Strömung, die das Kulturmedium im Gefäß vollständig erfasst und die vollständige Durchmischung der Bestandteile des Kulturmediums und der ggf. frei schwebenden Kulturorganismen erreichen soll. In einer besonderen Ausführungsform ist zentral in dem Auslass eine einzelne Düse angeordnet und im Gefäß eine Trennscheibe so eingebracht, dass sich durch das Einströmen von Gasen eine eindeutig gerichtete Strömung aus einer Aufwärts- und einer Abwärtsbewegung der Nährflüssigkeit um die Trennscheibe herum ergibt. Es ist bekannt (siehe z.B. EP0422149B1), dass beim Entstehen und Zerplatzen von Gasblasen hohe Scherkräfte wirken, die zu einer Zellschädigung fuhren können. Zudem fuhren Gasblasen zur Bildung von Schaum. Eine Schaumbildung ist jedoch zu vermeiden, da Zellen dazu neigen, mit dem Schaum zu flotieren. In der Schaumschicht finden sie nicht adäquate Kultivierungsbedingungen vor. Der Einsatz von Antischaummitteln kann zu Zellschädigung oder Ausbeuteverlusten in der Aufarbeitung oder zu einem vermehrten Aufarbeitungsaufwand fuhren. Zudem kann eine ausreichende Sauerstoffversorgung bei scherempfindlichen Zellen mit einer grobblasigen Begasungsmethode nur bis zu relativ niedrigen Zelldichten sichergestellt werden (H.-J. HeΩzler:„Verfahrentechnische Auslegungsunterlagen für Rührbehälter als Fermenter" Chem. Ing. Tech. 54 (1982) Nr. 5 S. 461-476, H.-J. Henzler, J. Kauling: „Oxygenation of cell cultures" Bioprocess Engineering 9 (1993) S. 61-75, tischen und Rühren" Herausgegeben von M. Kraume, WILEY-VCH 2003). Die Skalierung einer grobblasigen Begasung auf einen Bioreaktor in industriellem Maßstab ist schwierig. Aus den genannten Gründen ist die in EP1935973A1 beschriebene Kulturvorrichtung daher für die industrielle Kultivierung einer Vielzahl von Organismen ungeeignet.EP1935973A1 describes a culture device for aquatic organisms, which manages without stirrer. Gas (oxygen to supply the organisms) is introduced near the outlet at the bottom of the vessel and generates a flow which is intended to completely capture the culture medium in the vessel and to achieve complete mixing of the components of the culture medium and possibly free-floating culture organisms. In a particular embodiment, a single nozzle is arranged centrally in the outlet and a separating disk is introduced in the vessel so that a clearly directed flow consists of upward and downward movement of the nutrient liquid around the separating disk as a result of the inflow of gases results. It is known (see, for example, EP0422149B1) that the formation and bursting of gas bubbles have high shear forces which can lead to cell damage. In addition, gas bubbles lead to the formation of foam. Foaming is to be avoided, however, as cells tend to float with the foam. In the foam layer, they do not find adequate cultivation conditions. The use of antifoam agents can lead to cell damage or yield losses in the workup or to an increased workup effort. In addition, a sufficient oxygen supply in shear-sensitive cells can be ensured with a coarse-bubble gassing method only up to relatively low cell densities (H.-J. HeΩzler: "Process engineering design documents for stirred containers as fermenters" Chem. Ing. Tech. 54 (1982) No. 5 p 461-476, H.-J. Henzler, J. Kauling: "Oxygenation of cell cultures" Bioprocess Engineering 9 (1993) pp. 61-75, tables and stirring "Edited by M. Kraume, WILEY-VCH 2003). Scaling of a coarse-bubble fumigation to a bioreactor on an industrial scale is difficult, and for these reasons, the culture device described in EP1935973A1 is therefore unsuitable for the industrial cultivation of a variety of organisms.
Die blasenfreie Begasung löst die Problematik, indem der Gasaustausch über eine eingetauchte Membranfläche erfolgt. Hierbei wird die Begasung mit geschlossenen oder offenporigen Membranen durchgeführt. Diese sind z.B. in der durch einen Rührer bewegten Flüssigkeit angeordnet. Beispielsweise lassen sich Membranen als Schläuche auf zylindrischen Korbstatoren aufwickeln (H.-J. Henzler, J. Kauling: „Oxygenation of cell cultures" Bioprocess Engineering 9 (1993) S. 61-75, EP0172478B1, EP0240560B1). Zur Unterbringung großer Stoffaustauschflächen werden die Schläuche mit möglichst geringem Abstand dicht nebeneinander platziert. Als Schlauchmaterial hat sich Silikon gegenüber porösen Polymeren durchgesetzt. Gründe hierfür sind die hohe Gaspermeabilität, die hohe thermische Beständigkeit und die homogen über die Länge der Schlauchsegmente von bis zu ca. 70 m verteilten Schlaucheigenschaften, die auch nach einer Sterilisation erhalten bleiben. Problematisch sind aber Toträume zwischen den Schläuchen und zwischen dem Stator und den Schläuchen, in denen sich leicht Ablagerungen bilden können. Die fortschreitende Ablagerung von Substanzen auf den Silikonschläuchen selbst führt zu einem zunehmend schlechteren Gastransfer, z.B. zur Versorgung von Zellen mit Sauerstoff oder beim Abtransport von Kohlendioxid. Im Allgemeinen wird der Silikonschlauch nach einmaliger Verwendung verworfen.The bubble-free fumigation solves the problem by the gas exchange takes place over a submerged membrane surface. Here, the fumigation is carried out with closed or open-pore membranes. These are e.g. arranged in the liquid moved by a stirrer. For example, membranes can be wound up as tubes on cylindrical basket stators (H. -J. Henzler, J. Kauling: "Oxygenation of cell cultures" Bioprocess Engineering 9 (1993) pp. 61-75, EP0172478B1, EP0240560B1) Silicone is the preferred tubing for porous polymers because of its high gas permeability, high thermal stability and the hose properties distributed homogeneously over the length of the tubing segments of up to approx However, dead spaces between the hoses and between the stator and the hoses, in which deposits can easily form, are problematic.The progressive deposition of substances on the silicone hoses themselves leads to an increasingly poorer gas transfer, eg for the supply of cell n with oxygen or when removing carbon dioxide. In general, the silicone tube is discarded after a single use.
Nachteil an der beschriebenen Membranbegasung ist zudem der vergleichsweise geringe Stofftransportkoeffϊzient (H.-J. Henzler, J. Kauling: „Oxygenation of cell cultures" Bioprocess Engineering 9 (1993) S. 61-75). Um hohe Stofftransportraten zu erreichen ist es erforderlich, entsprechend viel Membranfläche im Bioreaktor zu installieren. Dies ist jedoch bezüglich Konstruktion und Handhabung aufwändig (Montage, Sterilisation, Reinigung, Erzeugung von unzureichend durchmischten Bereichen etc.) und führt zur Vergrößerung von Toträumen. Es ist denkbar, den Leistungseintrag zu erhöhen. Da der Stofftransportkoeffizient vom Leistungseintrag abhängig ist, kann hierdurch eine Steigerung der Stofftransportrate erzielt werden. Das Potential ist jedoch durch die resultierende Scherbelastung der Zellen aufgrund des höheren Leistungseintrages begrenzt.A disadvantage of the described membrane gassing is, in addition, the comparatively low mass transport coefficient (H.-J. Henzler, J. Kauling: "Oxygenation of cell cultures" Bioprocess Engineering 9 (1993) pp. 61-75) .To achieve high mass transfer rates, it is necessary . install a corresponding amount of membrane area in the bioreactor. However, this is complicated in terms of construction and handling (assembly, sterilization, cleaning, generation of insufficiently mixed areas, etc.) and leads to the increase of dead spaces. It is conceivable to increase the power input. Since the mass transfer coefficient depends on the input of power, an increase in the mass transfer rate can be achieved. However, the potential is limited by the resulting shear stress of the cells due to the higher power input.
In WO2007098850(Al) ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Begasung von Flüssigkeiten, insbesondere von in der Biotechnologie verwendeten Flüssigkeiten und speziell von Zellkulturen, beschrieben, bei welchem / welcher der Gasaustausch über eine oder mehrere beliebig geartete, eingetauchte Membranflächen (z.B. Schläuche) erfolgt, wobei die Membranfläche eine beliebige, rotatorisch oszillierende Bewegung in der Flüssigkeit ausführt. Die Bewegung kann so optimiert werden, dass die Anströmung der Membranfläche optimal ist. Da der Stofftransportkoeffizient von der Anströmung der Membranfläche abhängt, kann eine verbesserte Sauerstoffversorgung erreicht werden. Ein weiterer Vorteil der rotatorisch oszillierenden Bewegung der Membranfläche ist die Tatsache, dass ein separates Rühr- oder Mischorgan zur Erzeugung einer Anströmung der Membranfläche entfällt.WO2007098850 (A1) describes a method and a device for the gassing of liquids, in particular of liquids used in biotechnology and especially of cell cultures, in which the gas exchange takes place via one or more submersed membrane surfaces (eg hoses) , wherein the membrane surface performs any rotationally oscillating motion in the liquid. The movement can be optimized so that the flow of the membrane surface is optimal. Since the mass transport coefficient depends on the flow of the membrane surface, an improved oxygen supply can be achieved. Another advantage of the rotationally oscillating movement of the membrane surface is the fact that a separate stirring or mixing element for generating an inflow of the membrane surface is eliminated.
Während durch die in WO2007098850(Al) beschriebene rotatorisch oszillierende Bewegung der Membranfläche eine Verbesserung der Sauerstoffversorgung und Verringerung der Scherkräfte gegenüber den in EP0172478B1 und EP0240560B1 beschriebenen statischen Membranen, die durch ein Rührwerk angeströmt werden, erreicht wird, ist bei WO2007098850(Al) zu befürchten, dass durch die Bewegung der Membranschläuche durch das Kulturmedium Partikel eingefangen werden, die sich entweder an den Membranschläuchen festsetzen oder entlang der Membranschläuche in die Toträume zwischen den Membranschläuchen rutschen und hier zu Ablagerungen führen.While an improvement of the oxygen supply and reduction of the shear forces compared to the static membranes described in EP0172478B1 and EP0240560B1, which are impinged by an agitator, is achieved by the rotationally oscillating movement of the membrane surface described in WO2007098850 (A1), WO2007098850 (A1) is to be feared in that particles are captured by the movement of the membrane tubes through the culture medium, which either settle on the membrane tubes or slide along the membrane tubes into the dead spaces between the membrane tubes and lead to deposits here.
In WO86/07604A1 wird ein Air-Lift-Fermenter beschrieben. Es wird vorgeschlagen, bei der Kultivierung von tierischen Zellen Flockungsmittel einzusetzen, um Zelldebris vom Produktstrom zu trennen. Die ausgeflockten schweren Partikel sinken in eine turbulenzfreie Zone des Air-Lift- Fermenters und können hier abgezogen werden. Der Einsatz von Flockungsmitteln kann Ablagerungen reduzieren aber nicht dauerhaft verhindern. Der Einsatz von Flockungsmitteln bei der Verwendung rotatorisch oszillierender Membranflächen zur Sauerstoffversorgung birgt die Gefahr, dass ausgeflockte Partikel eingefangen und in Totzonen transportiert werden, wo sie sich dauerhaft festsetzen können. Zudem ist der Einsatz von Flockungsmitteln nicht bei der Kultivierung von allen Zelllinien angebracht, da Flockungsmittel negativen Einfluss auf die Physiologie der Zellen ausüben können und überschüssiges Flockungsmittel ggf. vom Produkt entfernt werden muss.WO86 / 07604A1 describes an air lift fermenter. It is proposed to use flocculants in the cultivation of animal cells to separate cell debris from the product stream. The flocculated heavy particles sink into a turbulence-free zone of the Air-Lift fermenter and can be removed here. The use of flocculants can reduce deposits but not permanently prevent them. The use of flocculants in the use of rotationally oscillating membrane surfaces for the supply of oxygen entails the risk that flocculated particles are captured and transported to dead zones, where they can settle permanently. In addition, the use of flocculants is not in the Cultivation of all cell lines attached, since flocculants can exert negative influence on the physiology of the cells and excess flocculant may need to be removed from the product.
Ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Verminderung von Ablagerungen bei der Kultivierung von Zellen oder Organismen bereitzustellen, insbesondere bei der Kultivierung von Zellkulturen, die zur Agglomeration bzw. Anhaftung an den Bioreaktor und seine Elemente neigen, oder bei denen Zellen, Zelldebris oder Substanzen leicht agglomerieren bzw. anhaften. Das gesuchte Verfahren sollte eine optimale Versorgung der Organismen mit Nährstoffen insbesondere bezüglich Gastransfer, z.B. mit Sauerstoff, gewährleisten. Es sollte ohne den Einsatz von zusätzlichen Scherkräften auskommen, welche zur Zerstörung von Zellen und damit zur Verminderung der Produktivität führt. Das gesuchte Verfahren sollte ohne den Einsatz von Chemikalien (z.B. Flockungsmittel) auskommen, um eine zusätzliche Belastung der Organismen und einen höheren Aufwand bei der Produktisolierung zu vermeiden. Das gesuchte Verfahren sollte insbesondere Ablagerungen vermindern, die zu einer Reduzierung des Gastransfers, z.B. der Sauerstoffversorgung, führen. Das gesuchte Verfahren sollte einfach auszuführen und kostengünstig sein.Starting from the described prior art, the object is to provide a method for reducing deposits in the cultivation of cells or organisms, in particular in the cultivation of cell cultures that are prone to agglomeration or adhesion to the bioreactor and its elements, or in which Cells, cell debris or substances easily agglomerate or adhere. The process sought should provide optimal nutrition to organisms with nutrients, in particular with respect to gas transfer, e.g. with oxygen, ensure. It should do without the use of additional shear forces, which leads to the destruction of cells and thus to the reduction of productivity. The process sought should be able to do without the use of chemicals (e.g., flocculants) to avoid additional burden on the organisms and more effort in product isolation. The process sought should, in particular, reduce deposits which could reduce gas transfer, e.g. the oxygen supply, lead. The process sought should be simple to perform and inexpensive.
Überraschend wurde gefunden, dass die Agglomeration und / oder Anlagerung von Zellen, Debris und / oder Proteinen, insbesondere an den Elementen zum Gastransfer, z.B. zur Sauerstoffversorgung, aber auch an allen weiteren Flächen sowie Sonden dadurch signifikant reduziert oder sogar verhindert werden kann, dass zur Gasversorgung eine Membranfläche in das Kulturmedium taucht, die eine diskontinuierliche Bewegung im Kulturmedium ausführt.It has surprisingly been found that the agglomeration and / or addition of cells, debris and / or proteins, in particular to the elements for gas transfer, e.g. For oxygen supply, but also on all other surfaces and probes can thereby significantly reduced or even prevented that emerges for gas supply a membrane surface in the culture medium, which performs a discontinuous movement in the culture medium.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Reduzierung von Ablagerungen bei der Kultivierung von Zellen und Organismen, insbesondere von Zellkulturen, welche zur Agglomeration bzw. Anhaftung an den Bioreaktor und seine Elemente neigen, oder bei denen Zellen, Zelldebris oder Substanzen leicht agglomerieren bzw. anhaften, dadurch gekennzeichnet, dass eine zum Gasaustausch in das Kulturmedium eintauchende Membranfläche eine diskontinuierliche Bewegung ausführt.The present invention is therefore a method for reducing deposits in the cultivation of cells and organisms, in particular cell cultures, which tend to agglomerate or adhere to the bioreactor and its elements, or in which cells, cell debris or substances easily agglomerate or Adhere, characterized in that a gas exchange into the culture medium immersed membrane surface carries out a discontinuous movement.
Die Agglomeration und / oder Anlagerung von Zellen, Debris und / oder Proteinen, besonders an den Membranen, aber auch an allen weiteren Kontaktflächen sowie Sonden, wird durch die diskontinuierliche Bewegung signifikant reduziert oder verhindert, wodurch ein höhererThe agglomeration and / or attachment of cells, debris and / or proteins, especially on the membranes, but also on all other contact surfaces and probes, is significantly reduced or prevented by the discontinuous movement, creating a higher
Gasaustausch über die Membranen möglich ist und dies auch für einen längeren Zeitraum. Dadurch werden Zelldichte und damit Produktausbeute erhöht, und die maximale Laufzeit des Prozesses wird verlängert.Gas exchange across the membranes is possible and this also for a longer period. This increases cell density and thus product yield, and extends the maximum runtime of the process.
Unter ,3ewegung" wird allgemein ein Vorgang verstanden, bei dem ein sich bewegender Körper (hier die Membranfläche) eine Änderung seiner Anordnung im Raum erfährt. Dabei kann sich der Körper als Ganzes bewegen (Translation) oder nur Teile des Körpers, z.B. durch Verbiegen des Körpers (Schwingung). Die Bewegung des Körpers kann auch in einer Drehung (Rotation) bestehen. Ferner sind Kombinationen aus Translation, Schwingung und Rotation möglich."Movement" is generally understood to mean a process in which a moving body (here the membrane surface) undergoes a change in its arrangement in space, whereby the body can move as a whole (translation) or only parts of the body, eg by bending the body Body (vibration) The movement of the body can also consist of a rotation (rotation) and combinations of translation, vibration and rotation are possible.
Unter einer „diskontinuierlichen Bewegung" wird eine Bewegung verstanden, die nicht gleichförmig über einen gegebenen Zeitraum abläuft. Ein Beispiel einer diskontinuierlichen Bewegung ist die Bewegung eines Pendels. Über den Zeitraum einer Periode, z.B. beginnend mit einer Maximalauslenkung des Pendels nach rechts, führt das Pendel zunächst eine beschleunigende Bewegung nach links aus, bis es eine maximale Geschwindigkeit in der Ruhelage aufweist. Dann wird das Pendel allmählich abgebremst, bis das Pendel in der Maximalauslenkung nach links für einen Augenblick zum Stillstand kommt, bevor das Pendel wieder beschleunigt, in der Ruhelage die maximale Geschwindigkeit erreicht und wieder abgebremst wird, bis es wieder seine Ausgangslage erreicht hat (maximale Auslenkung nach rechts). Im Unterschied hierzu wird unter einer kontinuierlichen Bewegung eine Bewegung verstanden, die über einen gegebenen Zeitraum gleichförmig ist. Ein Beispiel einer kontinuierlichen Bewegung ist z.B. die Rotation eines Rührelements mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um eine feststehende Rotationsachse.A "discontinuous motion" is understood to mean a movement that does not proceed uniformly over a given period of time.An example of a discontinuous motion is the movement of a pendulum.The pendulum performs over the period of one period, eg, starting with a maximum deflection of the pendulum to the right first accelerate to the left until it reaches a maximum speed in the rest position, then slowly decelerate the pendulum until the pendulum comes to a halt for a moment in the maximum excursion to the left before the pendulum accelerates again, in the rest position the pendulum maximum speed is reached and decelerated again until it has returned to its initial position (maximum deflection to the right), in contrast, a continuous movement is understood to mean a movement that is uniform over a given period of time the rotation of a stirrer at a constant angular velocity about a fixed axis of rotation.
Bevorzugt führt die Membranfläche eine diskontinuierliche Bewegung mit einer Bewegungsumkehr aus, d.h. die Membranfläche führt zunächst eine beliebig geartete erste Bewegung in eine erste Richtung aus, bevor die Membranfläche zum Stillstand kommt und dann eine beliebig geartete zweite Bewegung in eine andere Richtung, bevorzugt in die der ersten Richtung entgegen gesetzte Richtung ausführt. Die erste Bewegung und die zweite Bewegung können völlig verschieden voneinander sein. Bevorzugt ist die zweite Bewegung jedoch eine Spiegel-, punkt- und / oder rotationssymmetrische Ausführung zur ersten Bewegung.Preferably, the membrane surface performs a discontinuous motion with a reversal of motion, i. the membrane surface first carries out any kind of first movement in a first direction before the membrane surface comes to a standstill and then carries out any kind of second movement in another direction, preferably in the direction opposite to the first direction. The first movement and the second movement can be completely different from each other. However, the second movement is preferably a mirror, point and / or rotationally symmetrical design for the first movement.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens führt die Membranfläche eine oszillierende Bewegung aus. Unter „oszillierend" wird ein sich regelmäßig und gleichförmig wiederholender Vorgang verstanden, d.h. das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass es eine Zeitdauer gibt, nachfolgend Periode genannt, in der die Membranfläche eine beliebige erste Bewegung vollzieht, und anschließende Bewegungen Kopien der ersten Bewegung sind, die sich durch dieselbe zeitliche Abfolge von Beschleunigungen und Geschwindigkeiten auszeichnen wie die erste Bewegung. Die oben beschriebene Bewegung eines Pendels ist ein Beispiel einer oszillierenden Bewegung.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the membrane surface performs an oscillating movement. "Oscillating" is understood to mean a regularly and uniformly repeating process, ie the method according to the invention is preferably characterized in that there is a period of time, hereinafter referred to as the period in which the membrane surface makes any first movement, and subsequent movements copies the first movement are characterized by the same temporal sequence of accelerations and speed as the first movement. The movement of a pendulum described above is an example of an oscillating motion.
Besonders bevorzugt fuhrt die Membranfläche eine rotatorisch oszillierende Bewegung aus. Bei einer rotatorisch oszillierenden Bewegung bewegt sich (rotiert) die Membranfläche zunächst in die eine Rotationsrichtung, wobei die Bewegung beliebig gestaltet werden kann. Ein Beispiel ist die Beschleunigung der Membranfläche mit einer bestimmten Winkelbeschleunigung bis zu einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit, mit der sich die Membranfläche dann für eine bestimmte Zeit bewegt. Anschließend wird die Membranfläche mit einer festgelegten Verzögerung bis zum Stillstand abgebremst. Es folgt, ggf. nach einer festgelegten Stillstandszeit, anschließend die Bewe- gung in die andere Rotationsrichtung. Diese Bewegung kann spiegelbildlich der vorher beschriebenen erfolgen oder andersartig gestaltet sein. Unter einer rotatorisch oszillierenden Bewegung soll auch eine Bewegung verstanden werden, bei der die Membranfläche zunächst in eine Richtung beschleunigt wird, eine Zeit t, die größer oder gleich Null ist, mit konstanter Geschwindigkeit in diese vorgegebene Richtung rotiert, dann abgebremst wird (wobei die Membranfläche zum Stillstand kommen kann aber auch mit einer kleinen Winkelgeschwindigkeit in dieselbe Richtung weiter rotieren kann), und dann wieder in dieselbe Richtung beschleunigt wird.Particularly preferably, the membrane surface carries out a rotationally oscillating movement. In the case of a rotationally oscillating movement, the membrane surface first moves (rotates) in one direction of rotation, wherein the movement can be configured as desired. An example is the acceleration of the membrane surface with a certain angular acceleration up to a certain angular velocity with which the membrane surface then moves for a certain time. Subsequently, the membrane surface is decelerated to a standstill with a fixed delay. It then follows, if necessary after a defined downtime, then the movement in the other direction of rotation. This movement can be mirror-image of the previously described or otherwise designed. Under a rotationally oscillating motion movement is to be understood, in which the membrane surface is first accelerated in one direction, a time t, which is greater than or equal to zero, rotated at a constant speed in this predetermined direction, then braked (the diaphragm surface but can also continue to rotate with a small angular velocity in the same direction), and then accelerated again in the same direction.
Bevorzugt wird die Bewegung so ausgeführt, dass die Membranfläche zunächst in eine und nach einer vorgegebenen Zeit in die entgegengesetzte Richtung rotiert.Preferably, the movement is carried out so that the membrane surface first rotates in one and after a predetermined time in the opposite direction.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bewegung der Membranfläche rotatorisch oszillierend mit Drehrichtungsumkehr und mit minimalen Stillstandszeiten an den Punkten der Drehrichtungsumkehr. Unter minimaler Stillstandszeit wird verstanden, dass die Drehrichtungsumkehr ohne technische / vermeidbare Verzögerung erfolgt, d.h. die Membranfläche unmittelbar nach Erreichen eines Punktes der Drehrichtungsumkehr eine Beschleunigung in die der vorherigen Richtung entgegengesetzte Richtung erfährt. Die bevorzugte Ausführungform ist ferner dadurch charakterisiert, dass die Membranfläche ausgehend von einem Punkt der Drehrichtungsumkehr über einen definierbaren Zeitraum mit konstanter Winkelbeschleunigung beschleunigt wird und dann bei Erreichen einer Maximalgeschwindigkeit die Membranfläche mit einer konstanten Winkelverzögerung wieder abgebremst wird, bis die Membranfläche den zweiten Punkt der Drehrichtungsumkehr erreicht (Bewegungsphase 1). Dann erfolgt eine Bewegungsphase 2 spiegelbildlich zur Bewegungsphase 1. Bevorzugt sind die konstante Winkelbeschleunigung und Winkelverzögerung betragsmäßig gleich. Die bevorzugte Ausfuhrungsform des erfϊndungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass keine Bewegungsphase mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit auftritt.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the movement of the membrane surface is rotationally oscillating with reversal of direction of rotation and with minimal downtime at the points of reversal of rotation. A minimal downtime is understood to mean that the reversal of the direction of rotation takes place without a technical / avoidable delay, ie, the diaphragm surface experiences an acceleration in the direction opposite to the previous direction immediately after reaching a point of reversal of the direction of rotation. The preferred embodiment is further characterized in that the membrane surface is accelerated from a point of reversal of direction over a definable period of time with constant angular acceleration and then, upon reaching a maximum velocity, the membrane surface is decelerated again with a constant angular delay until the membrane surface is the second point of reversal of direction reached (movement phase 1). Then, a movement phase 2 is mirrored to the movement phase 1. Preferably, the constant angular acceleration and angular delay are equal in magnitude. The preferred Embodiment of the inventive method is characterized in that no movement phase occurs at a constant angular velocity.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Membranfläche infolge der diskontinuierlichen Bewegung innerhalb des Kulturmediums tangential angeströmt. Die tangentiale Anströmung gewährleistet einen effektiven Gasaustausch zwischen Membranfläche und Kulturmedium (Sauerstoffzufuhr, Kohlendioxidabfuhr).In a preferred embodiment of the method according to the invention, the membrane surface is flowed tangentially as a result of the discontinuous movement within the culture medium. The tangential flow ensures effective gas exchange between membrane surface and culture medium (oxygen supply, carbon dioxide removal).
Unter „Membranfläche" wird eine Fläche verstanden, durch die ein Gas, insbesondere Sauerstoff, in gelöster Form oder in Form von feinen Bläschen in eine Flüssigkeit eingebracht werden kann und / oder ein Gas aus der Flüssigkeit entfernt werden kann. Unter „feinen Gasblasen" werden Gasblasen verstanden, die in dem eingesetzten Kulturmedium eine geringe Neigung zur Koaleszenz aufweisen."Membrane surface" is understood to mean a surface through which a gas, in particular oxygen, in dissolved form or in the form of fine bubbles can be introduced into a liquid and / or a gas can be removed from the liquid Gas bubbles understood that have a low tendency to coalescence in the culture medium used.
Als Membranflächen eignen sich beispielsweise spezielle Sinterkörper aus metallischen und keramischen Werkstoffen, Filterplatten oder laserperforierten Platten, die Poren oder Löcher mit einem Durchmesser von in der Regel kleiner als 15 μm aufweisen. Die Membranflächen sind bevorzugt als hohle Körper, z.B. Rohre ausgeführt, durch die Gas strömen kann. Bei kleinen Gasleerrohrgeschwindigkeiten von weniger als 0,5 m h"1 werden sehr feine Gasblasen erzeugt, die in den in der Zellkultur normalerweise eingesetzten Medien eine geringe Neigung zur Koaleszenz aufweisen.Suitable membrane surfaces are, for example, special sintered bodies of metallic and ceramic materials, filter plates or laser-perforated plates which have pores or holes with a diameter of generally smaller than 15 microns. The membrane surfaces are preferably designed as hollow bodies, eg tubes, through which gas can flow. At low gas blanket velocities of less than 0.5 mh -1 , very fine gas bubbles are produced, which have a low tendency to coalesce in the media normally used in cell culture.
Als Membranflächen eignen sich weiterhin Membranschläuche. Unter Membranschläuchen werden flexible rohrförmige Gebilde verstanden, die für Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid durchlässig sind. Als Beispiel seien Membranhohlfäden aus mikroporösem Polypropylen genannt, wie sie beispielhaft in Chem.-Ing.-Tech. 62 (1990), Nr. 5, S. 393-395 von H. Büntemeyer et al. beschrieben werden. Ebenso können Silikonschläuche eingesetzt werden, wie sie beispielhaft in den folgenden Dokumenten beschrieben sind: H.-J. Henzler, J. Kauling: „Oxygenation of cell cultures" Bioprocess Engineering 9 (1993) S. 61-75, EP 1948780, WO07/051551A1,Membrane surfaces are also suitable membrane hoses. Membrane hoses are understood to be flexible tubular structures which are permeable to gases such as oxygen and carbon dioxide. As an example membrane hollow filaments of microporous polypropylene may be mentioned, as exemplified in Chem. Ing. Tech. 62 (1990), No. 5, pp. 393-395 by H. Büntemeyer et al. to be discribed. Likewise, silicone tubes can be used, as described by way of example in the following documents: H.-J. Henzler, J. Kauling: "Oxygenation of cell cultures" Bioprocess Engineering 9 (1993) pp 61-75, EP 1948780, WO07 / 051551A1,
WO07/098850A1.WO07 / 098850A1.
Bevorzugt werden als Membranflächen nicht-poröse Silikonschläuche verwendet. Vorzugsweise liegen diese in einem Bereich von Innendurchmesser ~1 mm bei einem Außendurchmesser von ~1,4 mm bis zu einem Innendurchmesser von ~2 mm bei einem Außendurchmesser von ~3 mm. Die Parameter Schlauchdurchmesser und Schlauchgesamtlänge sollten so gewählt werden, dass ein ausreichender Stofftransport für die Applikation gewährleistet ist. Der Stofftransport wird u.a. von dem Verhältnis von Membranoberfläche zu Reaktorflüssigvolumen bestimmt (volumenspezifϊsche Stoffaustauschfläche). Hier sind Werte von 25 m"1 bis 45 m'1 für tierische Zellkulturen gebräuchlich. In dem erfϊndungsgemäßen Verfahren erreicht die volumenspezifische Stoffaustauschfläche Werte zwischen 0,1 m"1 und 150 m"1, bevorzugt werden 1 m'1 bis 100 m'1 und besonders bevorzugt 5 m"1 bis 75 m'1.Non-porous silicone tubes are preferably used as membrane surfaces. Preferably, these are in a range of inner diameter ~ 1 mm with an outer diameter of ~ 1.4 mm to an inner diameter of ~ 2 mm with an outer diameter of ~ 3 mm. The parameters hose diameter and hose total length should be selected so that a sufficient mass transport for the application is guaranteed. The mass transfer is among others the ratio of membrane surface to reactor liquid volume determined (volume-specific mass transfer area). Here, " 'in use for animal cell cultures. 1 In the inventive method, the volume-specific mass transfer surface area values between 0.1 m reached 1 and 150 1 m" are preferably 1 m is 1 to 45 m "' values of 25 m from 1 to 100 m ' 1 and more preferably 5 m "1 to 75 m '1 .
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfϊndungsgemäßen Verfahrens ist die Membranfläche an einen drehbar gelagerten Rotor angebracht, der im Inneren eines Behältnisses, z.B. eines Bioreaktors, bewegt werden kann. Der Rotor ist so ausgestaltet, dass er im Inneren des Bioreaktors mindestens eine Membranfläche wie zum Beispiel Schläuche, Zylinder, Module etc. tragen kann. Der Rotor wird bevorzugt zur Ausführung einer rotatorisch oszillierenden Bewegung eingesetzt. Dazu kann der drehbar gelagerte Rotor z.B. von außerhalb des Bioreaktors durch einen Antrieb in eine rotatorisch oszillierende Bewegung versetzt werden. Die Übertragung des erforderlichen Antriebsdrehmoments vom Antrieb auf den Rotor im Inneren des Reaktors kann entweder über eine Magnetkupplung erfolgen, oder die Rotorwelle wird über eine drehende Abdichtung durch das Gehäuse des Bioreaktors geführt und direkt an den Antrieb gekuppelt. Die Verwendung einer Magnetkupplung ist aus steriltechnischer Sicht besonders vorteilhaft, weil sie sterile und insterile Räume eindeutig und ohne drehende Dichtung voneinander trennt.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the membrane surface is attached to a rotatably mounted rotor mounted inside a container, e.g. a bioreactor, can be moved. The rotor is designed so that it can carry at least one membrane surface such as hoses, cylinders, modules, etc. inside the bioreactor. The rotor is preferably used for carrying out a rotationally oscillating movement. For this purpose, the rotatably mounted rotor may e.g. be offset from outside the bioreactor by a drive in a rotational oscillating movement. The transmission of the required drive torque from the drive to the rotor inside the reactor can be done either via a magnetic coupling, or the rotor shaft is passed through a rotating seal through the housing of the bioreactor and coupled directly to the drive. The use of a magnetic coupling is particularly advantageous from a sterile technical point of view because it clearly separates sterile and non-sterile spaces from one another without rotating seal.
Als Antrieb zur Erzeugung einer rotatorisch oszillierenden Bewegung muss die vom Motor zur Verfügung gestellte Leistung ausreichen, um mit dem Rotor trotz des Massenträgheitsmomentes des Rotors und des Kulturmediums eine oszillierende Bewegung mit vorgegebenem Bewegungsablauf durchzuführen. Für die Auslegung des Antriebes ist also sowohl das Massenträgheitsmoment des Rotors als auch die Krafteinwirkung vom Kulturmedium auf den Rotor entscheidend. Bei ausreichender Drehzahl des Motors bietet ein Getriebe die Möglichkeit, das erforderliche Drehmoment bereitzustellen. Als Antriebskonfiguration kommt zum Beispiel ein Exzentertrieb in Frage. Ein Exzentertrieb verwandelt die gleichförmige Rotation eines konventionellen Antriebsmotors in eine rotatorisch oszillierende Bewegung an der Abtriebswelle um. Daneben kommen als Antriebskonfiguration für die erfindungsgemäße Vorrichtung auch frei programmierbare Positionierantriebe in Frage, wie zum Beispiel ein Schrittmotor. Der Vorteil solcher frei programmierbarer Antriebssysteme liegt darin, dass die rotatorisch oszillierende Bewegung der Membranfläche in weiten Bereichen den Erfordernissen des Prozesses angepasst werden kann, während ein Exzentertrieb in der Regel nur eingeschränkte Verstellmöglichkeiten aufweist. Parameter des Antriebs wie Drehzahl, Drehmoment und Getriebeuntersetzungen sind für die jeweilige Anwendung frei wählbar und vom Maßstab abhängig. Für Anwendungen im Bereich Biotechnologie werden die Parameter üblicherweise so gestaltet, dass sich ein volumenspezifϊscher Leistungseintrag von 0,01 W pro m"3 bis zu 4000 W pro m"3 Flüssigvolumen, bevorzugt um 1000 W pro m"3, ergibt.As a drive for generating a rotationally oscillating movement, the power provided by the motor must be sufficient to perform an oscillating movement with a given movement sequence with the rotor despite the mass moment of inertia of the rotor and the culture medium. For the design of the drive so both the moment of inertia of the rotor and the force of the culture medium on the rotor is crucial. With sufficient engine speed, a transmission provides the ability to provide the required torque. As drive configuration, for example, an eccentric drive comes into question. An eccentric drive converts the uniform rotation of a conventional drive motor into a rotationally oscillating motion on the output shaft. In addition come as a drive configuration for the device according to the invention also freely programmable positioning drives in question, such as a stepper motor. The advantage of such freely programmable drive systems is that the rotationally oscillating movement of the membrane surface can be adapted to the requirements of the process in a wide range, while an eccentric drive usually has only limited adjustment options. Parameters of the drive such as speed, torque and gear reduction are freely selectable for the respective application and depend on the scale. For applications in the field of biotechnology, the parameters are usually designed so that a volume-specific power input of 0.01 W per m "3 up to 4000 W per m " 3 liquid volume, preferably by 1000 W per m "3 results.
Für Zellkulturen beträgt der volumenspezifische Leistungseintrag üblicherweise zwischen 0,01 und 100 W pro m"3.For cell cultures, the volume-specific power input is usually between 0.01 and 100 W per m 3 .
Weiterhin sollte die Parametergestaltung so erfolgen, dass sich für die Zellkulturapplikation maximale Relativgeschwindigkeiten zwischen Rotor und Kulturmedium von 1 m s"1, ergeben.Furthermore, the parameter design should be such that maximum relative velocities between rotor and culture medium of 1 ms.sup.- 1 result for the cell culture application.
Um die Spannungen aus der Verbindung Getriebe und Rotor zu absorbieren, wird das Getriebe üblicherweise mit dem Rotor über eine beliebige torsionssteife Kupplung verbunden, welche geringen Wellenversatz oder geringes Nicht-Fluchten der Wellen aufnimmt.In order to absorb the stresses from the transmission and rotor connection, the transmission is usually connected to the rotor via any torsionally rigid coupling which absorbs small shaft misalignment or low shaft misalignment.
Die Vorrichtung zur Anbringung einer oder mehrerer Membranflächen kann in vorteilhafter Weise in ihrer Ausbildung leicht den besonderen Verhältnissen in Zellkulturen, z.B. Zellagglomeration, angepasst werden. Dies kann beispielsweise durch die Art und Anordnung der Membranflächen erfolgen.The device for attaching one or more membrane surfaces can advantageously be easily adapted in its design to the particular conditions in cell cultures, e.g. Cell agglomeration, to be adjusted. This can be done for example by the nature and arrangement of the membrane surfaces.
Der Rotor weist bevorzugt 1 bis 64, bevorzugt 2 bis 32 und besonders bevorzugt 4 bis 16 Rotorarme auf, an denen eine oder mehrere Membranflächen angebracht werden können.The rotor preferably has 1 to 64, preferably 2 to 32 and particularly preferably 4 to 16 rotor arms, to which one or more membrane surfaces can be attached.
In einer besonderen Gestaltung der Vorrichtung bilden zwei Wickelarme einen Rotorarm. Auf diese Wickelarme wird die Membranfläche, bevorzugt die Membranschläuche, horizontal oder vertikal in regelmäßigem bzw. unregelmäßigem Abstand gewickelt.In a particular embodiment of the device, two winding arms form a rotor arm. On these winding arms, the membrane surface, preferably the membrane tubes, horizontally or vertically wound at regular or irregular intervals.
Erfolgt jetzt eine Drehung des Rotors, so werden die Membranschläuche durch das Kulturmedium im Reaktor bewegt und dadurch tangential angeströmt. Überraschend wurde gefunden, dass durch die Anströmung nicht, wie der Fachmann annehmen würde, Partikel in der Lösung durch die Membranflächen eingefangen und festgehalten oder in (deren) Toträume transportiert werden, so dass es zu Ablagerungen kommt. Überraschend wurde gefunden, dass eine diskontinuierliche Bewegung, bevorzugt eine rotatorisch oszillierende Bewegung zu einer Verminderung von Ablagerungen im Vergleich zu einer statisch angeordneten Membranfläche, bei der ggf. ein zusätzliches Rührwerk eine Anströmung mit Kulturmedium bewirkt, führt. Hinsichtlich der Anströmung der Membranschläuche ist zu beachten, dass die Anströmung bei gleicher Winkelgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Position des Membranschlauches mit zunehmender radialer Entfernung von der Rotorwelle im Allgemeinen besser wird. Grund hierfür ist die gleichermaßen zunehmende Umfangsgeschwindigkeit. Bevorzugt werden möglichst viele Membranschläuche möglichst weit außen bei guter Anströmung installiert. Eine Möglichkeit, diesem Anspruch gerecht zu werden, besteht darin, die Anzahl der Rotorarme um die Welle zu erhöhen. Negativ wirkt sich eine Erhöhung der Anzahl der Arme allerdings sowohl auf die Durchmischung als auch auf die Anströmung der Membran aus (Schaffung von weniger durchmischten Kompartimenten zwischen den Armen). Hinzu kommt, dass unter der zunehmenden Anzahl der Arme die Handhabung des Rotors beim Auf- und Abwickeln der Schläuche sowie beim Ein- und Ausbau leidet. Auch die Befestigung der Arme an der Welle gestaltet sich mit größerer Anzahl der Arme aus Platzgründen zunehmend schwieriger.If now a rotation of the rotor, the membrane tubes are moved through the culture medium in the reactor and thereby flowed tangentially. Surprisingly, it has been found that, as the person skilled in the art would expect, the flow does not cause particles in the solution to be captured by the membrane surfaces and held or transported into (their) dead spaces, resulting in deposits. Surprisingly, it has been found that a discontinuous movement, preferably a rotationally oscillating movement, leads to a reduction of deposits in comparison to a statically arranged membrane surface, in which optionally an additional agitator causes a flow with culture medium. With regard to the flow of the membrane hoses, it should be noted that the flow at the same angular velocity generally improves with increasing radial distance from the rotor shaft, depending on the position of the membrane hose. The reason for this is the equally increasing peripheral speed. Preferably as many membrane hoses as far outside as possible are installed with good flow. One way to meet this requirement is to increase the number of rotor arms around the shaft. Negatively, however, an increase in the number of arms affects both the mixing and the flow to the membrane (creation of less mixed compartments between the arms). In addition, under the increasing number of arms, the handling of the rotor suffers during the winding and unwinding of the hoses and during installation and removal. The attachment of the arms to the shaft designed with larger numbers of arms for reasons of space increasingly difficult.
Die Versorgung der diskontinuierlich bewegten Membranfläche für die Zu- und Abfuhr von Gas erfolgt vorzugsweise von der nicht bewegten Umgebung aus, z.B. dem Reaktordeckel, mit einer Drehdichtung oder mit Hilfe von flexiblen Schläuchen. Drehdichtungen sind in der Zellkulturtechnik meist unerwünscht, da sie Schwierigkeiten beim Reinigen und der Sterilisation bereiten können. Hier bietet das erfindungsgemäße Verfahrens mit Bewegungsumkehr gegenüber einem Verfahren ohne Umkehr der Bewegungsrichtung einen klaren Vorteil: Ohne Umkehr der Bewegungsrichtung würden sich die Schläuche mit zunehmender Umdrehung immer stärker tordieren und schließlich abreißen. Bei einer Bewegung mit Bewegungsumkehr, z.B. bei rotatorisch oszillierenden Membranflächen, findet aufgrund der Hin- und Herbewegung keine Netto-Torsion der flexiblen Schläuche statt. Voraussetzung ist natürlich die Gestaltung der Hin- und Herbewegung derart, dass die Membranfläche sich nach Abschluss einer Periode der Bewegung am Ausgangspunkt der Bewegung befindet.The supply of the discontinuously moved membrane surface for the supply and removal of gas preferably takes place from the non-agitated environment, e.g. the reactor lid, with a rotary seal or with the help of flexible hoses. Rotary seals are usually undesirable in cell culture technology because they can cause difficulties in cleaning and sterilization. Here, the method according to the invention with reversal of movement offers a clear advantage over a method without reversal of the direction of movement: Without reversing the direction of movement, the tubes would twist more and more with increasing rotation and finally tear off. In a motion reversal movement, e.g. in the case of rotationally oscillating membrane surfaces, there is no net torsion of the flexible tubes due to the reciprocation. The prerequisite is of course the design of the reciprocating motion such that the membrane surface is at the start of the movement after completion of a period of movement.
Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung mit gewickelten Membranschläuchen ist, dass die Spannung der Membranfläche, z.B. der Membranschläuche variiert werden kann. Die optimale Spannung ergibt sich u.a. anhand der Parameter Druck des in den Raum innerhalb der Membranfläche einströmenden Gases oder Gasgemisches, Druck des aus dem Raum innerhalb der Membranfläche ausströmenden Gases oder Gasgemisches und Geometrie, Strömungswiderstand und Deformation des Raumes innerhalb der Membranfläche (bei einem Membranschlauch z.B. Eingangsdruck, Ausgangsdruck, Innendurchmesser, Anzahl und Geometrie der Krümmungen des Membranschlauches sowie die Deformation der Krümmungen) (H. N. Qi, C. T. Goudar, J. D. Michaels, H.-J. Henzler, G. N. Jovanovic, K. B. Konstantinov: ,fixperimental and Theoretical Analysis of Tubulär Membrane Aeration for Mammalian Cell Bioreactors" Biotechnology Progress 19 (2003) S. 1183-1189). Bei Membranschläuchen führt die Reduktion der Schlauchspannung zu einer verstärkten Auslenkung der Schläuche während der Bewegung. Eine größere Auslenkung der Schläuche verbessert deren Umströmung und damit den Stofftransportkoeffizienten. Die Spannung ist je nach Art der Applikation so zu wählen, dass die Membranschläuche einerseits langzeitstabil befestigt sind, sich andererseits aber vorzugsweise in der Strömung bewegen und um z.B. einige Millimeter auslenken können.Another advantage of the device with wound membrane tubes is that the tension of the membrane surface, such as the membrane tubes can be varied. The optimum stress results, inter alia, from the parameters pressure of the gas or gas mixture flowing into the space inside the membrane surface, pressure of the gas or gas mixture flowing out of the space inside the membrane surface, and geometry, flow resistance and deformation of the space within the membrane surface (eg Inlet pressure, outlet pressure, inside diameter, number and geometry of the membrane tube curvatures, as well as the deformation of the curves) (HN Qi, CT Goudar, JD Michaels, H.-J. Henzler, GN Jovanovic, KB Konstantinov:, Fixperimental and Theoretical Analysis of Tubular Membrane Aeration for Mammalian Cell Bioreactors "Biotechnology Progress 19 (2003) Pp. 1183-1189). With membrane hoses, the reduction of the hose tension leads to an increased deflection of the hoses during the movement. A greater deflection of the hoses improves their flow around and thus the mass transfer coefficient. Depending on the type of application, the voltage should be selected such that the membrane hoses are fastened on a long-term stable basis, but on the other hand can preferably move in the flow and deflect, for example, a few millimeters.
Aus der Reduzierung der Schlauchspannung ergibt sich das Problem der Fixierung der Membranschläuche auf den Wickelarmen. Eine große Krafteinwirkung auf die Membranschläuche könnte bei geringerer Schlauchspannung zum Abgleiten der Membranschläuche von den Wickelarmen führen. Um diesem Problem zu begegnen, wird z.B. die Oberfläche der Wickelarme mit einem Außengewinde versehen. Ferner können z.B. außen an den Wickelarmen Stege vorgesehen werden, die ein Abrutschen der Schläuche außen von den Armen verhindern. Hierbei ist darauf zu achten, dass die aufgewickelten Membranschläuche durch etwaige Grate des Gewindes nicht zu Schaden kommen. Ferner bietet das Außengewinde auf den Wickelarmen eines Sternhalters die Möglichkeit, die Schlauchwicklung zu variieren. Bei der Aufwicklung der Schläuche könnte z.B. nur jede zweite oder dritte Gewindevertiefung genutzt werden. Hierdurch ist die Einstellung eines definierten Abstandes zwischen den einzelnen Membranschläuchen möglich.The reduction of the hose tension results in the problem of fixing the membrane hoses on the winding arms. A large force on the membrane hoses could lead to slipping of the membrane hoses from the winding arms with less hose tension. To address this problem, e.g. provide the surface of the winding arms with an external thread. Furthermore, e.g. Webs are provided outside of the winding arms, which prevent slipping of the hoses outside of the arms. It is important to ensure that the wound membrane hoses are not damaged by any burrs of the thread. Furthermore, the external thread on the winding arms of a star holder offers the possibility to vary the hose winding. When rewinding the tubes, e.g. Only every second or third thread recess can be used. As a result, the setting of a defined distance between the individual diaphragm hoses is possible.
Weitere Ausgestaltungen von Membranflächen in Form von Schläuchen, die den Armen eines Rotors befestigt und zur Ausführung einer diskontinuierlichen Bewegung ausgestaltet sind, finden sich in der Anmeldeschrift WO2007098850(Al).Further embodiments of membrane surfaces in the form of hoses, which are attached to the arms of a rotor and configured to carry out a discontinuous movement, can be found in the application WO2007098850 (A1).
Die eine diskontinuierliche Bewegung ausführende Membranfläche kann ganz oder teilweise in das Kulturmedium eintauchen. Ebenso ist es denkbar, die Eintauchtiefe während der diskontinuierlichen Bewegung zu variieren.The membrane surface which carries out a discontinuous movement can be completely or partially immersed in the culture medium. It is also conceivable to vary the immersion depth during the discontinuous movement.
Das erfϊndungsgemäße Verfahren kann vielfältig eingesetzt werden, z.B. bei der Kultivierung von Organismen, menschlichen, tierischen oder pflanzlichen Zellen, in der Aufarbeitung vonThe inventive method can be used in many ways, e.g. in the cultivation of organisms, human, animal or plant cells, in the processing of
Abwässern, oder in einem sonstigen Verfahren, in dem sich Ablagerungen bilden können.Waste water or any other process in which deposits may form.
Bevorzugt wird es bei der Kultivierung von Zellkulturen, welche zur Agglomeration bzw.It is preferred in the cultivation of cell cultures, which for agglomeration or
Anhaftung an den Bioreaktor und seine Elemente neigen, oder bei denen Zellen, Zelldebris oderAttachment to the bioreactor and its elements tend, or where cells, cell debris or
Substanzen leicht agglomerieren bzw. anhaften, eingesetzt. Hier zeigt es keine nachteilhaften Effekte, z.B. auf die Zellbiologie, z.B. bezüglich Apoptose und Zellzyklus. Beispiele fürSubstances easily agglomerate or adhere. Here it shows no adverse effects, e.g. on cell biology, e.g. regarding apoptosis and cell cycle. examples for
Zellkulturen sind z.B. BHK-Zellen (Baby Hamster Kidney) zur Gewinnung von Gerinnungsfaktoren oder CHO-Zellen (Chinese Hamster Ovary) zur Gewinnung therapeutischer Antikörper.Cell cultures are eg BHK cells (Baby Hamster Kidney) for the production of Coagulation factors or CHO cells (Chinese Hamster Ovary) for obtaining therapeutic antibodies.
Mit einer diskontinuierlichen, insbesondere einer rotatorisch oszillierenden Bewegung der Membranfläche innerhalb des Kulturmediums werden drei Funktionalitäten miteinander kombiniert:With a discontinuous, in particular a rotationally oscillating movement of the membrane surface within the culture medium, three functionalities are combined:
1. Die Membranfläche sorgt für den nötigen Gasaustausch und damit für die nötige Versorgung der Organismen mit z.B. Sauerstoff, sowie die nötige Entfernung von gasförmigen Stoffwechselprodukten (insbesondere Kohlendioxid) der Organismen.1. The membrane surface provides for the necessary gas exchange and thus for the necessary supply of the organisms with e.g. Oxygen, as well as the necessary removal of gaseous metabolites (especially carbon dioxide) of the organisms.
2. Die oszillierende Bewegung verbessert den Stoffaustausch signifikant gegenüber einer statisch angeordneten Membranfläche, die über ein zusätzliches Rührwerk angeströmt wird. Ein zusätzliches Rührwerk ist nicht notwendig.2. The oscillating movement improves the mass transfer significantly compared to a statically arranged membrane surface, which is impinged by an additional agitator. An additional agitator is not necessary.
3. Die oszillierende Bewegung hat überraschenderweise eine reduzierende Wirkung auf die Bildung von Ablagerungen und Agglomeraten, sowohl auf Ablagerungen und Agglomerate, die sich auf der Membranfläche festsetzen, als auch auf Ablagerungen und Agglomerate, die sich auf anderen Elementen / Flächen innerhalb des Bioreaktors festsetzen.3. The oscillatory motion has, surprisingly, a reducing effect on the formation of deposits and agglomerates, both on deposits and agglomerates settling on the membrane surface, and on deposits and agglomerates settling on other elements / surfaces within the bioreactor.
Es ist denkbar, zusätzlich zur diskontinuierlichen Bewegung der Membranfläche auch noch eine diskontinuierliche Bewegung einer oder mehrerer Sonden (pH-Sonde, Thermometer, Elektrode zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts und ähnliche Sonden) in dem Bioreaktor auszuführen. Bevorzugt werden dabei eine oder mehrere Sonden mit der Membranfläche ggf. über eine gemeinsame Halterung verbunden, sodass Membranfläche und Sonde(n) zu einer gemeinsamen / gekoppelten Bewegung veranlasst werden. Auf diese Weise werden Ablagerungen auf den Sonden wirksamer vermieden. BeispieleIt is conceivable, in addition to the discontinuous movement of the membrane surface, to also carry out a discontinuous movement of one or more probes (pH probe, thermometer, electrode for determining the oxygen content and similar probes) in the bioreactor. One or more probes are preferably connected to the membrane surface, possibly via a common holder, so that the membrane surface and probe (s) are caused to make a joint / coupled movement. In this way, deposits on the probes are more effectively avoided. Examples
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert, ohne sie jedoch auf diese zu beschränken.The invention is explained in more detail below by means of examples, without, however, limiting them to these.
Beispiel 1 : Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen VerfahrensExample 1: Device for carrying out the method according to the invention
In Figur 1 ist schematisch ein Beispiel einer Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Membranfläche wird durch Membranschläuche (1) gebildet, die an einer Rotorwelle (2) vertikal quer zur Rotationsrichtung (3) angeordnet sind. Durch die Membranschläuche kann sauerstoffhaltiges Gas zur Versorgung von Organismen gepumpt werden. Die Vorrichtung wird bevorzugt innerhalb eines Bioreaktors (4) betrieben. Bevorzugt taucht die Membranfläche vollständig in das Kulturmedium ein, d.h. die Flüssigkeitsoberfläche (5) befindet sich im Betrieb oberhalb der Membranfläche. Die Vorrichtung kann eine rotatorische Bewegung um die Rotorwelle (2) ausführen. Bevorzugt führt sie eine rotatorisch oszillierende Bewegung aus. Diese Bewegung führt zum einen zu einer verbesserten Versorgung der Organismen im Bioreaktor und zum anderen zu einer deutlich verringerten Neigung zur Bildung von Ablagerungen und Agglomeraten (im Vergleich zu einer statischen Membranfläche, die durch ein Rührwerk angeströmt wird).FIG. 1 schematically shows an example of a device for carrying out the method according to the invention. The membrane surface is formed by membrane tubes (1) which are arranged on a rotor shaft (2) vertically transversely to the direction of rotation (3). Through the membrane hoses oxygen-containing gas can be pumped to supply organisms. The device is preferably operated within a bioreactor (4). Preferably, the membrane surface is fully immersed in the culture medium, i. the liquid surface (5) is in operation above the membrane surface. The device can perform a rotary movement about the rotor shaft (2). Preferably, it performs a rotationally oscillating motion. This movement leads to an improved supply of the organisms in the bioreactor and to a significantly reduced tendency to form deposits and agglomerates (compared to a static membrane surface, which is impinged by a stirrer).
Figur 2 zeigt die fotografische Aufnahme einer Vorrichtung zur Aufnahme von Membranschläuchen. Die Vorrichtung umfasst oben zwei konzentrische Verteilerringe zur Zu- und Abfuhr von Gas. Meist wird der äußere zur Gaszufuhr verwendet, damit das sauerstoffreiche Gas zuerst in die Schlauchabschnitte gelangt, welche am weitesten entfernt von der Rotorwelle sind und damit am besten angeströmt werden. Die Verteilerringe haben in diesem Beispiel jeweils 16 Stutzen, welche die Versorgung der Membranschlauchsegmente auf den bis zu 16 Rotorarmen erlauben. Hierbei zeigt das Foto den Rotor mit nur 8 montierten Rotorarmen, wobei die 8 verbleibenden möglichen Rotorarme jeweils zwischen den jetzigen montiert werden würden. Pro Rotorarm ist in diesem Beispiel ein Membranschlauchsegment von 57 m Länge aufgewickelt. Erfolgt jetzt eine Drehung des Rotors, so werden die Membranschläuche durch das Fluid im Reaktor bewegt und dadurch tangential angeströmt.FIG. 2 shows the photograph of a device for receiving membrane tubes. The device comprises at the top two concentric distribution rings for the supply and removal of gas. Most of the external gas supply is used so that the oxygen-rich gas first enters the tube sections, which are farthest from the rotor shaft and are best flowed to it. In this example, the distributor rings each have 16 connecting pieces, which allow the supply of the membrane hose segments on the up to 16 rotor arms. In this case, the photo shows the rotor with only 8 mounted rotor arms, whereby the 8 remaining possible rotor arms would each be mounted between the present ones. For each rotor arm, a membrane hose segment of 57 m in length is wound up in this example. Now, if a rotation of the rotor, the membrane tubes are moved by the fluid in the reactor and thereby flowed tangentially.
Die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient der Begasung eines Zellkultur-Bioreaktors mit bis ca. 200 L Flüssigvolumen, wobei der Reaktorinnendurchmesser 510 mm beträgt und das Höhe zu Durchmesser- Verhältnis 2:1. Die zentrische Rotorwelle besitzt einen Durchmesser von 20 mm und der Rotor einen Außendurchmesser von 409 mm. Die Rotorarme haben in der Vertiefung, in welcher der Membranschlauch geführt ist, einen Radius von 7,7 mm. Um das Verrutschen der Membranschläuche aus Silikon mit Innendurchmesser 1,98 mm und Außendurchmesser 3,18 mm zu verhindern, sind parallele Vertiefungen mit Abstand von 3,65 mm hergestellt. Die Differenz von 3,65 mm gegenüber 3,18 mm ergibt sich aus der Motivation, dass die Membranschläuche auch im druckbeaufschlagten Zustand (bis 1,5 bar Überdruck) noch Platz zur Volumenvergrößerung („Aufblähen") haben, wodurch der Druckverlust in der Schlauchumlenkung minimiert wird.The apparatus shown in FIG. 2 for carrying out the method according to the invention is used for gassing a cell culture bioreactor with a liquid volume of up to about 200 l, the internal reactor diameter being 510 mm and the height to diameter ratio being 2: 1. The centric rotor shaft has a diameter of 20 mm and the rotor an outer diameter of 409 mm. The rotor arms have in the recess in which the Membrane tube is guided, a radius of 7.7 mm. In order to prevent slippage of the membrane tubing made of silicone with 1.98 mm inner diameter and 3.18 mm outer diameter, parallel recesses are produced with a distance of 3.65 mm. The difference of 3.65 mm compared to 3.18 mm results from the motivation that the membrane hoses even in the pressurized state (up to 1.5 bar overpressure) have room to increase in volume ("puffing"), whereby the pressure loss in the hose deflection is minimized.
Als Rotorantrieb kann z.B. ein Schrittmotor mit einer Maximaldrehzahl von 2500 min'1, einem Stillstandsmoment von 5,8 Nm und einer Getriebeuntersetzung von 1 :12 eingesetzt werden.As a rotor drive, for example, a stepper motor with a maximum speed of 2500 min '1 , a standstill torque of 5.8 Nm and a gear ratio of 1: 12 can be used.
In Tabelle 1 sind Beispiele für Winkelbeschleunigungen und maximale Winkelgeschwindigkeiten sowie für maximale Geschwindigkeiten der Rotorarmenden, also derjenigen Punkte des Rotors, die sich am schnellsten bewegen, exemplarisch für drei Maßstäbe in der angegebenen Konfiguration aufgeführt.In Table 1, examples of angular accelerations and maximum angular velocities as well as maximum speeds of the rotor arm ends, ie those points of the rotor which move fastest, are exemplarily listed for three scales in the specified configuration.
Figure imgf000016_0001
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* im geometr. ähnlichen Modellsysteπn gemessen Tabelle 1 * in the geometr. similar model systems measured Table 1
Beispiel 2: Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kultivierung einer klebrigen humanen Hvbrid-Zelllinie HKB-11Example 2: Use of the method according to the invention for cultivating a sticky human hybrid cell line HKB-11
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde beispielhaft bei der Kultivierung der humanen Zelllinie HKB-I l zur Produktion von Blutgerinnungsfaktor VHI (Mei, Baisong et al., "Expression of Human Coagulation Factor VJII in a Human Hybrid Cell Line", HKBI l, Molecular Biotechnology. 34(2): 165-178, Oktober 2006) eingesetzt. Diese Zelllinie weist eine sehr hohe Neigung zur Aggregatbildung auf.The process according to the invention has been described by way of example in the cultivation of the human cell line HKB-I 1 for the production of blood coagulation factor VHI (Mei, Baisong et al., "Expression of Human Coagulation Factor VJII in a Human Hybrid Cell Line", HKBI 1, Molecular Biotechnology. 34 (2): 165-178, October 2006). This cell line has a very high tendency to aggregate formation.
Daneben wurde dieselbe Zelllinie in einem Referenzverfahren (nicht erfindungsgemäß) kultiviert, um einen Vergleich der Verfahren vornehmen zu können.In addition, the same cell line was cultured in a reference method (not according to the invention) in order to be able to compare the methods.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde in einem 15 L-Bioreaktor der Firma Applikon durchgeführt. Der Bioreaktor war mit einem Rotor ausgestattet, an dem eine Membranfläche in Form von Silikonschläuchen (SILASTIC RX 50 Medical Grade Tubing Special, 0.078 in. (1.98 mm) ID x 0.125 in. (3.18 mm) OD (500 ft roll, Dow Corning)) angebracht war. Die Membranschläuche waren auf den 8 Armen des Rotors, die sternförmig um eine Rotorwelle angebracht waren, befestigt. Die Gesamtlänge an Membranschläuchen betrug 58,7 m (48,8 m2 Membranoberfläche pro m3 Reaktorvolumen bei 12 L Füllvolumen), wobei die zwei innersten Reihen der Rotorarme nicht bewickelt wurden. Die vollständige Bewicklung hätte einer Gesamtlänge an Membranschlauch von 65 m entsprochen (54,1 m2 Membranoberfläche pro m3 Reaktorvolumen bei 12 L Füllvolumen). Der Rotor konnte über einen Servomotor (Modell Nr. 23S21, Jenaer Antriebstechnik, Jena, Deutschland) mit einen Stillstandsmoment von 0,9 Nm, an den ein Planetengetriebe mit einer Untersetzung von 1:12 geflanscht war, in eine diskontinuierliche Bewegung versetzt werden. Informationen zur verwendeten humanen HKB- Zelllinie sind der folgenden Literatur zu entnehmen: Mei, Baisong et al., "Expression of Human Coagulation Factor VIII in a Human Hybrid Cell Line", HKBI l, Molecular Biotechnology. 34(2): 165-178, Oktober 2006.The process according to the invention was carried out in a 15 L bioreactor from Applikon. The bioreactor was equipped with a rotor having a membrane surface in the form of silicone tubing (SILASTIC RX 50 Medical Grade Tubing Special, 0.078 in. (1.98 mm) ID x 0.125 in. (3.18 mm) OD (500 ft roll, Dow Corning). ) was attached. The membrane hoses were mounted on the 8 arms of the rotor, which were mounted in a star shape around a rotor shaft. The total length of membrane tubing was 58.7 m (48.8 m 2 membrane surface area per m 3 reactor volume at 12 L filling volume), with the two innermost rows of rotor arms not wound. The complete winding would have corresponded to a total length of membrane tube of 65 m (54.1 m 2 membrane surface area per m 3 reactor volume at 12 L filling volume). The rotor could be put into a discontinuous motion by a servomotor (Model No. 23S21, Jenaer Antriebstechnik, Jena, Germany) with a standstill torque of 0.9 Nm, to which a planetary gear with a reduction of 1:12 was flanged. Information on the human HKB cell line used can be found in the following literature: Mei, Baisong et al., "Expression of Human Coagulation Factor VIII in a Human Hybrid Cell Line", HKBI, Molecular Biotechnology. 34 (2): 165-178, October 2006.
Über die Membranfläche (Membranschläuche) wurden die Zellen mit Sauerstoff versorgt und von Kohlendioxid befreit. Der Gasdurchsatz betrug 1 Normliter pro Stunde. Der Gasfluss durch die Membranschläuche der 8 Rotorarme wird am Ende der Membranschläuche wieder zusammengeführt und durch einen flexiblen Schlauch zum Bioreaktordeckel geführt. Dort wird der Gegendruck am Gasausgang zwischen 5 und 15 psig variiert. Dies bietet die Möglichkeit, die Gastransfereigenschaften gezielt zu beeinflussen. Durch den Kopfraum des Fermenters wurde während der Kultivierung kontinuierlich ein Luftstrom von 1 Normliter pro Stunde per Zuluft- und Abluftstutzen geleitet. Informationen zum Aufbau der Anlage zum kontinuierlichen Zellkulturbetrieb sind WO2003/020919A1 zu entnehmen.Via the membrane surface (membrane hoses), the cells were supplied with oxygen and freed of carbon dioxide. The gas flow rate was 1 standard liter per hour. The gas flow through the membrane hoses of the 8 rotor arms is brought together again at the end of the membrane hoses and led through a flexible hose to the bioreactor lid. There, the backpressure at the gas outlet is varied between 5 and 15 psig. This offers the possibility to specifically influence the gas transfer properties. Through the headspace of the fermenter, an air stream of 1 standard liter per hour was continuously passed through the supply air and exhaust air connection during the cultivation. Information on the structure of the plant for continuous cell culture operation can be found in WO2003 / 020919A1.
Erfindungsgemäß wurde die Membranfläche innerhalb des Kulturmediums in eine rotatorisch oszillierende Bewegung versetzt. Der Bewegungsablauf war wie folgt: ausgehend von einem der Punkte der Drehrichtungsumkehr wurde die Membranfläche mit einer konstanten Winkelbeschleunigung von 11 rad s"2 für eine Dauer von 400 ms beschleunigt und daraufhin für den gleichen Zeitraum mit einer der betragsmäßig gleichen Winkelbeschleunigung verzögert, so dass er nach 800 ms wiederum zum Stillstand kam. Der dabei überstrichene Winkel beträgt 90°. Der Leistungseintrag beläuft sich auf ca. 56 W m"3. Die maximale Geschwindigkeit der Rotorenden beträgt ca. 0,44 m s"1.According to the invention, the membrane surface within the culture medium has been set in a rotationally oscillating motion. The sequence of movement was as follows: starting from one of the points of reversal of the direction of rotation, the membrane surface became a constant Angular acceleration of 11 rads "2 accelerated for a duration of 400 ms and then delayed for the same period with one of the same angular acceleration, so that it again came to a standstill after 800 ms The swept angle is 90 ° to about 56 W m "3 . The maximum speed of the rotor ends is approx. 0.44 ms "1 .
Das erfϊndungsgemäße Verfahren wird nachfolgend als DMA- Verfahren (Dynamic Membrane Aeration) und die entsprechende Vorrichtung zur Ausführung des erfϊndungsgemäßen Verfahrens als DMA-Reaktor bezeichnet.The erfϊndungsgemäße method is hereinafter referred to as DMA method (Dynamic Membrane Aeration) and the corresponding device for carrying out the erfϊndungsgemäßen method as a DMA reactor.
Das Referenzverfahren wurde ebenfalls in einem baugleichen 15 L-Bioreaktor (Referenzreaktor) der Firma Applikon ausgeführt. Dieser war mit einer statischen Membranfläche und einemThe reference method was also carried out in a structurally identical 15 L bioreactor (reference reactor) from Applikon. This was with a static membrane surface and a
Ankerrührer ausgestattet. Die statische Membranfläche umfasste 49,6 m SchlauchlängeAnchor stirrer equipped. The static membrane area comprised 49.6 m hose length
(entsprechend 41,3 m2 Membranoberfläche pro m3 Reaktorfüllvolumen) des obig genannten(corresponding to 41.3 m 2 membrane surface per m 3 Reaktorfüllvolumen) of the above
Silikonschlauches (für DMA- und Referenzsystem wurde das gleiche Silikonschlauchfabrikat verwendet). Die Durchflussrate durch die Membranschläuche betrug 0,5 Normliter pro Stunde. Der fϊrmenintern entworfene Ankerrührer diente der Anströmung der Membranfläche zurSilicone hose (for DMA and reference system the same silicone hose make was used). The flow rate through the membrane tubes was 0.5 standard liters per hour. The internally designed anchor stirrer was used for the flow of the membrane surface to the
Verbesserung des Stoffaustauschs (Sauerstoffzufuhr, Kohlendioxidabfuhr). Der Ankerrührer wurde mit einer konstanten Drehzahl von 150 rpm (entsprechend ca. 165 W m~3) betrieben. Diese hohe Rührerdrehzahl bzw. dieser hohe Leistungseintrag, welcher ansonsten aus Gründen derImprovement of substance exchange (oxygen supply, carbon dioxide removal). The anchor stirrer was operated at a constant speed of 150 rpm (corresponding to approx. 165 W m ~ 3 ). This high stirrer speed or high power input, which otherwise for reasons of
Zellschädigung und unerwünschten Nebenproduktbildung vermieden wird, war zur Vermeidung / Begrenzung von Zellagglomeration und Ablagerungen erforderlich.Cell damage and undesired by-product formation was avoided, was required to avoid / limit cell agglomeration and deposition.
Informationen zum Aufbau der Anlage zum kontinuierlichen Zellkulturbetrieb und zum Zellabscheider sind wiederum WO2003/020919A1 zu entnehmen.Information on the structure of the system for continuous cell culture operation and the cell separator can be found again in WO2003 / 020919A1.
Zum Beimpfen des Referenzsystems wurde Zellinokulum eingesetzt, welches im Vorfeld in Schüttelkolben in adäquater Menge herangezüchtet wurde. Das Beimpfen des 15 L DMA Reaktors erfolgte mit Zellen aus dem 15 L Referenzsystems, wodurch die Vergleichbarkeit beider Systeme hinsichtlich gemeinsamer Zellquelle und bis auf den geringen Zeitunterschied auch hinsichtlich gleichen Zellalters gegeben ist. Beispiele der Animfzelldichten sind Fig. 3 und Fig. 4 zu entnehmen.For inoculating the reference system cell inoculum was used, which was bred in advance in shake flasks in an adequate amount. Inoculation of the 15 L DMA reactor was carried out with cells from the 15 L reference system, whereby the comparability of both systems with respect to common cell source and up to the small time difference is also given in terms of equal cell age. Examples of the animf cell densities are shown in FIGS. 3 and 4.
Sowohl aus dem DMA- Verfahren als auch dem Referenzverfahren wurden täglich Proben aus dem Bioreaktor und dem Erntestrom genommen, die auf Zelldichte, Vitalität, Aggregationsrate, offline- pH- Wert, Konzentration an gelöstem Sauerstoff und gelöstem Kohlendioxid, Konzentration an Glukose, Laktat, Glutamin, Glutamat, Ammonium, LDH und Titer (Blutgerinnungsfaktor VHI (rFVπi)) analysiert wurden.Daily samples from the bioreactor and harvest stream were taken from both the DMA and the reference methods based on cell density, vitality, aggregation rate, offline pH, dissolved oxygen concentration and dissolved carbon dioxide, concentration Glucose, lactate, glutamine, glutamate, ammonium, LDH and titer (coagulation factor VHI (rFVπi)).
Figur 3 zeigt die zeitliche Entwicklung der Dichte an lebenden Zellen (a) beim DMA- Verfahren und (b) im Referenzverfahren in einer ersten Zellkultivierung. Aufgetragen ist jeweils die Dichte cd an lebenden Zellen in der Einheit [106 Zellen mL"1] gegen die Zeit / in der Einheit [Tage]. Die Zelldichte wurde anhand eines CEDEX Systems (Innovatis GmbH, Bielefeld, Deutschland) bestimmt. Um den Einfluss von Zellagglomeration zu minimieren und eine möglichst representative Zelldichte zu ermitteln, erfolgte vorher eine Pipettierung, wodurch die Zellagglomerate durch die Scherkräfte in der Pipette weitgehend aufgelöst werden. In Fig. 3(b) ist ein Abfall der Zelldichte nach 53 Tagen auf etwa 10 x 106 Zellen mL"1 zu beobachten. Ursache waren Ablagerungen auf den Membranschläuchen, die offensichtlich zu einem geringeren Sauerstoffeintrag führten. Das DMA- Verfahren zeigte diese Ablagerungen nicht; hier konnte eine hohe Zelldichte über den gesamten Beobachtungszeitraum hinweg aufrecht erhalten werden.Figure 3 shows the temporal evolution of the density of living cells (a) in the DMA method and (b) in the reference method in a first cell culture. The density cd of living cells in the unit [10 6 cells mL "1 ] versus time / unit [days] is plotted in each case The cell density was determined using a CEDEX system (Innovatis GmbH, Bielefeld, Germany) In order to minimize the influence of cell agglomeration and to determine a cell density which is as representative as possible, a pipetting was carried out beforehand, whereby the cell agglomerates are largely dissolved by the shearing forces in the pipette In Fig. 3 (b) a decrease in the cell density after 53 days to about 10 × 10 6 cells mL "1 to observe. Cause were deposits on the membrane tubes, which obviously led to a lower oxygen input. The DMA process did not show these deposits; Here, a high cell density was maintained over the entire observation period.
Nach der ersten Zellkultivierung wurde der Bioreaktor des DMA- Verfahrens nur mit Medium (Mediumformulierung unterliegt der Geheimhaltung) gewaschen. Dabei blieben Ablagerungen auf den Sensoren und der Membranfläche bestehen. Anschließend wurde eine zweite Zellkultivierung mit frisch angezogenen Zellen durchgeführt. Die Vorgehensweise diente der Simulation einer Langzeitkultivierung.After the first cell cultivation, the bioreactor of the DMA method was washed only with medium (medium formulation subject to secrecy). Deposits on the sensors and the membrane surface remained. Subsequently, a second cell cultivation was carried out with freshly grown cells. The procedure was used to simulate long-term cultivation.
Figur 4 zeigt die zeitliche Entwicklung der Dichte an lebenden Zellen (a) beim DMA- Verfahren und (b) im Referenzverfahren in der zweiten Zellkultivierung. Aufgetragen ist jeweils die Dichte cd an lebenden Zellen in der Einheit [106 Zellen mL'1] gegen die Zeit t in der Einheit [Tage].Figure 4 shows the time evolution of the density of living cells (a) in the DMA method and (b) in the reference method in the second cell culture. The density cd of living cells in the unit [10 6 cells mL '1 ] is plotted against the time t in the unit [days].
Im DMA- Verfahren konnte eine Zelldichte von über 15 x 106 Zellen mL"1 nach knapp 7 Tagen Kultivierung erreicht und gehalten werden. Im Referenzverfahren wurde eine solche Zelldichte nicht erreicht; die Produktionsrate war entsprechend geringer. Zu beachten istIn the DMA method, it was possible to reach and maintain a cell density of more than 15 × 10 6 cells mL "1 after just under 7 days of culturing In the reference method, such a cell density was not achieved and the production rate was correspondingly lower
In beiden Zellkulturen zeigte das DMA- Verfahren somit eine höhere Zelldichte und damit eine höhere Produktionsrate als das Referenzverfahren. Ursächlich war nachweislich die verminderte Neigung zur Bildung von Ablagerungen im DMA- Verfahren gegenüber dem Referenzverfahren.In both cell cultures, the DMA method thus showed a higher cell density and thus a higher production rate than the reference method. The cause was demonstrably the reduced tendency to form deposits in the DMA process compared to the reference method.
In dem Beispiel ergaben sich zusammenfassend die folgenden Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem beschriebenen Referenzverfahren:In the example, the following advantages of the method according to the invention compared to the described reference method were summarized:
- Erhöhter Sauerstoffeintrag; die Zelldichte lag beim DMA- Verfahren während der gesamten- increased oxygen input; the cell density was in the DMA process throughout
Kultivierungszeit im Durchschnitt höher als beim Referenzverfahren. - Beim DMA- Verfahren wurden weniger Ablagerungen sowohl an den Membranschläuchen als auch an den unbewegten Teilen des Bioreaktors und an den Sonden beobachtet.Cultivation time on average higher than the reference method. - In the DMA process, less deposits were observed on both the membrane tubing and the stationary parts of the bioreactor and on the probes.
- Beim DMA-Verfahren konnten mit ca. ein Drittel des Leistungseintrages des Referenzsystems vergleichbare Strömungsbedingungen erzielt werden (bezogen auf die Scherrate).- In the DMA process, comparable flow conditions could be achieved with approximately one third of the power input of the reference system (relative to the shear rate).
- Das DMA-Verfahren zeigte keine nachteiligen Effekte auf die Zellbiologie (Apoptose und Zellzyklus). - The DMA method showed no adverse effects on cell biology (apoptosis and cell cycle).
Abbildungenpictures
Fig. 1 : Schematische Darstellung einer rotatorisch oszillierenden Bewegung zur Be- undFig. 1: Schematic representation of a rotationally oscillating movement for loading and
Entgasung von Flüssigkeiten mittels einer Membranfläche in einem Behältnis.Degassing of liquids by means of a membrane surface in a container.
Fig. 2: Fotografische Aufnahme einer Vorrichtung zur Aufnahme einer Membranfläche: Membranschläuche sind auf die sternförmig angeordneten Arme eines Rotors gewickelt.Fig. 2: Photograph of a device for receiving a membrane surface: membrane hoses are wound on the star-shaped arms of a rotor.
Fig. 3: Grafische Darstellung der zeitlichen Entwicklung der Dichte an lebenden ZellenFig. 3: Graph showing the temporal evolution of the density of living cells
(a) beim DMA- Verfahren und (b) im Referenzverfahren in einer ersten Zellkultivierung. Aufgetragen ist jeweils die Dichte cd an lebenden Zellen in der Einheit [ 106 Zellen mL"1 ] gegen die Zeit t in der Einheit [Tage] .(a) in the DMA process and (b) in the reference method in a first cell culture. The density cd of living cells in the unit [10 6 cells mL "1 ] is plotted against the time t in the unit [days].
Fig. 4: Grafische Darstellung der zeitlichen Entwicklung der Dichte an lebenden Zellen4: Graphical representation of the temporal evolution of the density of living cells
(a) beim DMA- Verfahren und (b) im Referenzverfahren in einer zweiten Zellkultivierung. Aufgetragen ist jeweils die Dichte cd an lebenden Zellen in der Einheit [106 Zellen mL'1] gegen die Zeit t in der Einheit [Tage].(a) in the DMA process and (b) in the reference process in a second cell culture. The density cd of living cells in the unit [10 6 cells mL '1 ] is plotted against the time t in the unit [days].
Bezugszeichen:Reference numerals:
1 Membranschläuche1 membrane hoses
2 Rotorwelle2 rotor shaft
3 Rotationsrichtung 4 Bioreaktor3 Rotation direction 4 bioreactor
5 Flüssigkeitslevel 5 fluid level

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Reduzierung von Ablagerungen bei der Kultivierung von Zellen und Organismen, dadurch gekennzeichnet, dass eine zum Gasaustausch in das Kulturmedium eintauchende Membranfläche eine diskontinuierliche Bewegung ausführt.1. A method for reducing deposits in the cultivation of cells and organisms, characterized in that a gas exchange in the culture medium immersed membrane surface carries out a discontinuous movement.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfläche eine Bewegung mit Bewegungsumkehr ausführt.2. The method according to claim 1, characterized in that the membrane surface performs a movement with reversal of movement.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfläche eine rotatorisch oszillierende Bewegung ausfuhrt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the membrane surface ausfuhrt a rotationally oscillating movement.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung eine periodische Abfolge von Beschleunigung und Abbremsung zwischen zwei Bewegungsumkehrpunkten umfasst.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the movement comprises a periodic sequence of acceleration and deceleration between two movement reversal points.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfläche aus einem oder mehreren Membranschläuchen gebildet ist.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the membrane surface is formed from one or more membrane tubes.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfläche in Form eines oder mehrerer Membranschläuche an sternförmig an einer Rotorwelle angebrachten Rotorarmen angebracht ist, und infolge der diskontinuierlichen Bewegung tangential angeströmt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that the membrane surface is mounted in the form of one or more membrane tubes to star-shaped mounted on a rotor shaft rotor arms, and is flowed tangentially due to the discontinuous movement.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfläche über eine gemeinsame Halterung mit einer oder mehreren Sonden verbunden ist.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the membrane surface is connected via a common holder with one or more probes.
8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Kultivierung von Zellen oder Organismen. 8. Use of the method according to any one of claims 1 to 7 for the cultivation of cells or organisms.
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